KR102531505B1 - 방사성 폐기물들의 열적 체적 감소 - Google Patents

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Abstract

방사성 핵종들로 오염된 폐기물 재료의 열적 체적 감소를 위한 방법은, 폐기물 재료를 유동화된 베드 반응기 내로 공급하는 단계, 유동화된 베드 반응기 내의 베드 매체를 유동화하기 위하여 유동화 가스를 유동화된 베드 반응기 내로 주입하는 단계, 및 유동화된 베드 반응기 내에서 폐기물 재료를 분해하는 단계를 포함한다. 폐기물 재료의 열적 체적 감소를 위한 시스템은 공급 원료(feedstock) 준비 및 핸들링 시스템, 유동화된 베드 반응기 시스템, 고체 분리 시스템, 및 오프-가스(off-gas) 처리 시스템을 포함한다. 방법 및 시스템은, 소비된 이온 교환 수지, 소비된 입상 활성탄, 및 잡고체 폐기물과 같은 원자력 발전소들과 같은 핵 설비들의 동작으로부터 생성되는 방사성 폐기물들의 체적을 효율적으로 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 폐기물 재료 내의 유기물 함량 중 대다수가 이산화탄소 및 수증기로 변환되며, 방사성 핵종들을 포함하는 고체들은 장기 저장 또는 처리에 적절한 무수분의 안정적인 최종 산물로 변환된다.

Description

방사성 폐기물들의 열적 체적 감소
방사성 폐기물들의 장기 저장 및/또는 처리(disposal)는 값이 비싸다. 비용을 감소시키고 이용가능한 저장 및 처리 공간을 더 양호하게 사용하는 하나의 방법은 방사성 폐기물의 체적을 감소시키는 것이다. 대부분의 방사성 폐기물은 많은 양의 비-방사성 재료, 특히 유기 물질을 포함한다. 이러한 재료는 폐기물의 체적을 감소시키기 위하여 더 컴팩트한 형태로 변환되거나 및/또는 제거될 수 있다.
열적 프로세싱은 폐기물의 체적을 감소시키기 위한 최적의 방법들 중 하나이다. 이는 폐기물들의 체적을 다른 방법들을 사용하여서는 획득할 수 없는 레벨까지 감소시킬 수 있다. 하나의 일반적인 열적 프로세싱 방법은 소각이다. 이는 수십 년 동안 지방 자치단체의 폐기물 처리업에서 체적 감소를 위하여 사용되어 왔다.
불행히도, 소각은 다수의 단점들을 갖는다. 하나의 단점은, 엄격하고 점점 더 증가하는 규제들의 대상이 되는 다이옥신 및 푸란(furan) 화합물들의 형성을 용이하게 하는 반응이 산소-풍부 환경 내의 고온에서 발생한다는 것이다. 다른 단점은, 고온 조건들이 세슘 및 테크네튬과 같은 상대적으로 낮은 끓는 점들을 갖는 방사성 핵종들을 휘발시킨다는 것이다. 이러한 재료들은 하류측 프로세스들에서 제거되어야만 하며, 이는 프로세스의 복잡성 및 비용을 증가시킨다. 단점들이 원자력 산업에서 소각의 적용을 제한해왔다.
수증기 변성(steam reforming)은, 최근 몇 년 동안 어떤 견인력을 획득한 방사성 폐기물 내의 유기 물질의 열적 체적 감소를 위한 하나의 접근 방식이다. 수증기 변성 프로세스에 있어서, 방사성 폐기물은, 방사성 폐기물의 제어된 산화 및 환원 반응들을 달성하기 위하여 적당한 온도 및 거의 주변 압력으로 유지되는 하나 또는 2개의 유동화된 베드 변성기(fluidized bed reformer)들 내로 공급된다. 프로세스는, 방사성 핵종들을 휘발시키지 않고, 폐기물로부터 수분의 완전한 증발, 유기체들의 파괴, 및 질소 가스로의 니트레이트들의 변환을 가능하게 한다.
통상적인 수증기 변성 프로세스가 어떤 레벨의 성공 및 상업적 용인을 경험하였지만, 이들은 여전히 다수의 단점들을 가지고 있다. 하나의 단점은, 이들은, 열분해 및 수증기 변성 반응들을 위한 에너지를 제공하기 위하여 반응기에 대해 고체 가연성 재료의 추가를 필요로 한다는 것이다. 이러한 재료의 추가는 프로세스의 비용을 증가시키며, 잠재적으로 재료 내의 고체 불순물들의 도입에 기인하여 체적 감소의 정도를 감소시킨다. 다른 단점은, 이들이 일반적으로 잡고체 폐기물(dry active waste; DAW), 소비된 이온 교환 수지(ion exchange resin; IER), 및 유사한 것과 같은 상이한 폐기물 스트림들을 코-프로세싱(co-process)할 수 없다는 것이다.
폐기물 프로세싱을 단순화하고 용이하게 하기 위하여 상이한 폐기물 스트림들을 효율적으로 프로세싱할 수 있는 통합된 열적 프로세스를 갖는 것이 바람직할 것이다. 이는, 그들의 수량들 및 물리적 특성들에 있어서 실질적으로 상이한 DAW 및 소비된 IER과 같은 폐기물 스트림들에 대하여 특히 바람직할 것이다.
일반적으로 발전소 액체 폐기물 프로세싱 시스템과 호환되지 않는 화학적 액체들, 소비된 이온 교환 수지(ion exchange resin; IER), 소비된 입상 활성탄(granular activated carbon; GAC), 및 잡고체 폐기물(dry active waste; DAW)을 포함하는 원자력 발전소의 동작으로부터 생성된 방사성 폐기물들의 변환 및 체적 감소를 위한 시스템 및 통합된 프로세싱 방법이 개시된다. 프로세스는, 단독으로 또는 서로 조합되어 소비된 IER, 소비된 GAC, 또는 DAW를 프로세싱하도록 구성될 수 있는 단일의 유동화된 베드 반응기를 사용하며, 그럼으로써 핵 설비들에 대한 "원-스톱(one-stop)" 해법을 제공한다.
시스템은 공급 원료(feedstock) 준비 및 핸들링 시스템, 유동화된 베드 반응기 시스템, 고체 분리 시스템, 및 오프-가스(off-gas) 처리 시스템을 포함한다. 체적 감소는, 열분해, 수증기 변성, 산화 등을 포함하는 반응기 시스템 내의 복잡한 반응 네트워크를 통해 달성된다. 반응을 향상시키고 폐기물을 안정화하기 위하여 첨가제들이 반응기 시스템에 첨가될 수 있다. 프로세스는 방사성 폐기물들의 체적을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 이를 처리 또는 장기 저장에 적절한 무수분(waterless)의 안정적인 최종 산물로 변환할 수 있다. 폐기물의 유기 함량의 대부분은 CO2 및 수증기로 변환되며, 이는 가스상 배출물들을 친환경적으로 만든다.
일부 실시예들에 있어서, 프로세스는 유동화된 베드 반응기 내에서 탈수된 소비된 IER 및/또는 탈수 소비된 GAC와 같은 탈수된 폐기물 재료를 프로세싱하는 단계를 포함할 수 있다. 탈수된 폐기물 재료는 또한 균질한 최종 폐기물 산물을 생성하기 위하여 DAW와 같은 다른 건조 방사성 폐기물과 코-프로세싱될 수 있다. 폐기물 재료를 탈수하는 것은, 이것이 슬러리(slurry)에 대하여 가능한 것보다 더 낮은 공급 레이트(rate)로 탈수된 폐기물 재료가 공급되는 것을 가능하게 하기 때문에 유익하다. 이는, 핵 설비에 의해 생성된 상대적으로 작은 양의 탈수된 폐기물 재료가 설비에 의해 생성된 상대적으로 많은 양의 DAW와 함께 연속적으로 코-프로세싱되는 것을 가능하게 한다.
본 요약은 아래의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 개념들의 선택을 간략화된 형태로 소개하기 위해 제공된다. 본 요약 및 배경기술은 청구되는 내용의 핵심 개념들 또는 본질적인 측면들을 식별하도록 의도되지 않으며, 청구되는 내용의 범위를 제한하거나 또는 한정하기 위해 사용되지도 않아야만 한다. 예를 들어, 청구항들의 범위는, 언급된 내용이 배경기술에서 언급된 이슈들 중 임의의 것을 해결하거나 및/또는 요약에서 언급된 임의의 또는 모든 측면들을 포함하는지 여부에 기초하여 제한되지 않아야만 한다.
선호되는 실시예들 및 다른 실시예들이 첨부된 도면들과 관련되어 개시된다.
도 1은 방사성 핵종들로 오염된 폐기물을 수증기 변성하기 위한 프로세스의 일 실시예의 프로세스 흐름도이다.
도 2는, DAW가 유동화된 베드 반응기의 측면을 통해 공급되는 DAW 공급 시스템의 일 실시예의 프로세스 흐름도이다.
도 3은, DAW가 유동화된 베드 반응기의 측면을 통해 공급되는 DAW 공급 시스템의 다른 실시예의 프로세스 흐름도이다.
도 4는, 소비된 IER이 슬러리로 유동화된 베드 반응기에 공급되는 소비된 IER 공급 시스템의 일 실시예의 프로세스 흐름도이다.
도 4는, 소비된 IER이 탈수된 고체들로 유동화된 베드 반응기에 공급되는 소비된 IER 공급 시스템의 다른 실시예의 프로세스 흐름도이다.
도 6은, 유동화된 베드 반응기가 재순환 구성에 있는 상태의 방사성 핵종들로 오염된 폐기물을 수증기 변성하기 위한 프로세스의 다른 실시예의 프로세스 흐름도이다.
도 7은, 산소가 유동화 가스와 함께 반응기의 하단을 통해 위쪽으로 공급되는 유동화된 베드 반응기의 일 실시예를 도시한다. 유동화 베드 반응기는, 1-패스(one-pass) 구성(A), 부분적 재순환 구성(B), 및 완전 재순환 구성(C)으로 도시된다.
도 8은, 산소가 폐기물 공급물이 진입하는 위치 바로 위의 반응기의 측면을 통해 공급되는 유동화된 베드 반응기의 다른 실시예를 도시한다. 유동화 베드 반응기는, 1-패스 구성(A), 부분적 재순환 구성(B), 및 완전 재순환 구성(C)으로 도시된다.
도 9는, 산소가 폐기물 공급물이 진입하는 위치 바로 위의 반응기의 측면을 통해 그리고 반응기의 하단을 통해 위쪽으로 공급되는 유동화된 베드 반응기의 다른 실시예를 도시한다. 유동화된 베드 반응기는 완전 재순환 구성으로 도시된다.
도 10은, 열이 윈드-박스(wind-box) 섹션에 의해 유동화된 베드 반응기에 제공되는 유동화된 베드 반응기의 다른 실시예를 도시한다.
도 11은 고온 필터의 3가지 상이한 실시예들을 도시한다. 각각의 실시예는 필터의 하단에서의 입자 브리징(particle bridging)을 방지하기 위하여 상이한 방법을 사용한다.
도 12는, 열 산화기(thermal oxidizer)로부터의 오프-가스가 유동화된 베드 반응기에 대한 유동화 가스로서 사용되는 방사성 핵종들로 오염된 폐기물을 수증기 변성하기 위한 프로세스의 다른 실시예를 도시한다.
도 13은 그것의 길이 방향 축을 따른 공급 어댑터 디바이스의 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도 14는 도 13의 공급 어댑터 디바이스의 공급 단부의 단면도를 도시한다.
도 15는 디바이스의 길이 방향 축을 가로지르는 축을 따른 도 13의 공급 어댑터 디바이스의 단면도를 도시한다.
도 16은, 열적 프로세스로부터 냉각 유체로의 열 전달을 용이하게 하기 위하여 공급 어댑터 디바이스의 배출 단부에 위치되도록 구성된 열 칼라(thermal collar)의 일 실시예의 사시도를 도시한다.
도 17 내지 도 18은 각기, 도 13의 공급 어댑터 디바이스의 열 코어의 사시도 및 단면도를 도시한다.
방사성 핵종들로 오염된 폐기물 재료를 열적으로 분해(decompose)하기 위하여 사용될 수 있는 시스템 및 프로세스가 개시된다. 특히, 시스템 및 프로세스는 폐기물 재료 내의 유기 물질을 분해하여 최종 폐기물 산물의 체적 및 질량을 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 이는 방사성 폐기물의 장기 저장 및/또는 처리를 위한 비용을 감소시킨다.
도 1은 방사성 폐기물의 체적을 열적으로 감소시키기 위하여 사용될 수 있는 프로세스의 일 실시예의 프로세스 흐름도이다. 전반적으로, 프로세스는 수증기를 사용하는 열분해에 의존하는 수증기 변성 프로세스이며, 이는 반응기 내에서 희망되는 온도를 유지하기 위하여 선택적으로 산소가 보충될 수 있다. 프로세스는, 공급 원료 준비 및 핸들링 시스템(22), 유동화된 베드 반응기 시스템(24), 고체 분리 시스템(26), 및 오프-가스 처리 시스템(28)을 포함하는 시스템(20)에 의해 수행된다.
공급 원료 준비 및 핸들링 시스템(22)은 잡고체 폐기물(DAW) 공급 시스템(30) 및 소비된 이온 교환 수지(IER) 공급 시스템(32)을 포함한다. 유동화된 베드 반응기 시스템(24)은 유동화된 베드 반응기(34)를 포함한다. 고체 분리 시스템(26)은 사이클론(cyclone)(36) 및 고온 필터(38)를 포함한다. 오프-가스 처리 시스템(28)은 열 산화기(40), 스크러버(scrubber)(42), 건조기 시스템(44), 및 여과 시스템들(46, 48)을 포함한다.
시스템(20) 및 그것의 서브시스템들(22, 24, 26, 28)에 대하여 다수의 변화들이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 예를 들어, 공급 원료 준비 및 핸들링 시스템(22)은 DAW, 소비된 IER, 소비된 입상 활성탄(GAC) 또는 임의의 다른 유형의 방사성 폐기물에 대한 단일 공급 시스템을 포함할 수도 있다. 공급 원료 준비 및 핸들링 시스템(22)은 또한 도 1에 도시된 2개의 공급 시스템들보다 더 많은 공급 시스템들을 포함할 수도 있다. 마찬가지로, 유동화된 베드 반응기 시스템(24)이 또한 직렬로, 병렬로, 또는 둘 모두로 위치된 다수의 유동화된 베드 반응기들을 포함할 수 있다. 고체 분리 시스템(26)이 또한 도 1에 도시된 2개보다 더 많거나 또는 더 적은 분리 유닛들을 포함할 수 있다. 이는 또한 상이한 유형들의 분리 유닛들을 포함할 수 있다.
프로세스는 임의의 적절한 방사성 폐기물 재료를 처리하기 위하여 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 이는 낮은 및 중간-레벨 방사성 폐기물을 처리하기 위하여 사용될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 이는 상용 원자력 발전소들에 의해 생성되는 방사성 폐기물을 처리하기 위하여 사용될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 프로세스는 상용 원자력 발전소들에 의해 생성되는 낮은 및 중간-레벨 방사성 폐기물을 처리하기 위하여 사용될 수 있다.
프로세스는 다양하고 상이한 방사성 폐기물들을 처리하기 위하여 사용될 수 있다. 적절한 폐기물들의 예들은 소비된 IER, 소비된 GAC, 및 DAW을 포함하며, 특히 상용 원자력 발전소들에 의해 생성되는 이러한 것들을 포함한다. 적절한 폐기물들의 다른 예들은, 전형적인 액체 폐기물 프로세싱 시스템들과 호환되지 않는 화학적 액체들과 같은 다양한 액체들, 슬러지(sludge)들, 고체 유기 폐기물, 및 유사한 것을 포함한다.
소비된 IER은 원자력 발전소 또는 다른 설비에서 오염된 물로부터 방사성 핵종들을 제거하기 위하여 사용된 이온 교환 수지이다. 소비된 IER은 방사성 핵종들로 채워지며, 반드시 방사성 폐기물로서 처리되어야만 한다. 소비된 GAC는 원자력 발전소 또는 다른 설비에서 오염된 물로부터 방사성 핵종들을 제거하기 위하여 사용된 입상 활성탄이다. 이것이 또한 방사성 핵종들로 채워지며, 반드시 방사성 폐기물로서 처리되어야만 한다.
DAW는 원자력 발전소 또는 다른 설비의 오염된 영역들 내에서 그리고 오염된 시스템들 상에서 수행된 작업의 결과로서 생성된 폐기물이다. 이는, 설비의 동작 및 유지보수 동안 생성된 오염된 폐기물이다. DAW는, 개인용 보호 의복, 종이 타월들, 래그(rag)들, 장갑들, 고무 부츠, 플라스틱 백들, 시트들, 환기 공기 필터들, 및 유사한 것과 같은 것들이다.
폐기물 재료는 또한 그것의 수분 함량에 기초하여 특징지어질 수 있다. 소비된 IER 및 소비된 GAC는 일반적으로 젖은(wet) 고체 폐기물들로 간주된다. 젖은 고체 폐기물은, 프로세싱 없이 10 CFR 61 하에서 처리를 위한 한계들을 초과하기에 충분한 자유 수분을 포함하는 임의의 고체 폐기물이다. 젖은 고체 폐기물이 아닌 고체 폐기물은 이러한 기준을 충족시키지 못하는 것이다. 젖은 폐기물은 추가적인 프로세싱을 위하여 수집 탱크들 내로 펌핑될 충분한 수분함량을 포함하는 폐기물을 지칭한다. 대부분의 젖은 고체 폐기물은 액체 폐기물을 프로세싱하는 것으로부터 생성된다.
이상에서 언급된 바와 같이, 프로세스는 폐기물 재료의 체적을 상당히 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 체적 감소의 정도는 주로 폐기물 재료의 특성들에 의존한다. 예를 들어, DAW의 주어진 체적은 IER의 동일한 체적보다 더 많이 감소될 수 있으며, 이는 DAW가 더 많은 양의 유기 재료를 포함하기 때문이다.
프로세스는 DAW의 체적을 적어도 약 5:1 또는 적어도 약 10:1만큼 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 프로세스는 또한 DAW의 체적을 약 5:1 내지 약 40:1 또는 약 10:1 내지 약 50:1만큼 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 프로세스는 또한 DAW의 체적을 약 40:1 이하만큼 또는 50:1 이하만큼 감소시키기 위하여 사용될 수 있다.
프로세스는 소비된 IER의 체적을 적어도 약 3:1 또는 적어도 약 5:1만큼 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 프로세스는 또한 소비된 IER의 체적을 약 3:1 내지 약 15:1 또는 약 5:1 내지 약 10:1만큼 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 프로세스는 또한 소비된 IER의 체적을 약 15:1 이하만큼 또는 10:1 이하만큼 감소시키기 위하여 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 공급 시스템들(30, 32)은 각기 유동화된 베드 반응기 시스템(24)에 DAW 및 소비된 IER을 공급한다. DAW 공급 시스템(30)은 다음과 같이 동작한다. DAW는 처음에 분류(sorting) 스테이지(50)를 통해 공급되며, 여기에서 프로세싱에 대하여 적절하지 않은 아이템들이 제거된다. 이러한 아이템들은 전형적으로 상대적으로 높은 밀도를 가져서, 유동화 동안 입자들이 점진적으로 유동화된 베드 반응기(34) 내에서 아래쪽으로 움직이고 하단에 축적된다.
DAW는 다수의 방식들 중 임의의 방식으로 분류될 수 있다. 예를 들어, DAW는 글러브 박스를 사용하여 수동으로 분류될 수 있다. DAW는 글러브 박스를 통해 공급되며, 작업자는 프로세싱에 대하여 적절하지 않은 아이템들을 제거한다. 분류 스테이지가 투박하고(coarse) 용이하게 분리될 수 있는 큰 물체들을 제거하는데 초점을 맞추는 것이 바람직하다. 소형 아이템들 및 분리하는데 상당한 노력을 필요로 하는 프로세싱가능 및 프로세싱불가능 재료의 조합을 포함하는 아이템들은 파쇄기에 의한 추가적인 프로세싱을 위하여 하류측으로 전달될 수 있다.
분류된 이후에, DAW는 폐기물의 크기를 감소시키며 이를 더 좁은 입자 크기 분포로 균질화하는 파쇄기(52)를 통해 공급된다. 파쇄기(52)는 금속 성분들과 같은 단단하고 강성의 아이템들뿐만 아니라 이하에서 설명되는 이유들 때문에 프로세싱할 수 없는 것으로 간주되는 일부 아이템들을 프로세싱할 수 있다. 다시 말해서, 파쇄기(52)는 거의 모든 임의의 종류의 폐기물 재료를 프로세싱하기 위하여 사용될 수 있다.
임의의 적절한 입자 크기 감소 장비가 파쇄기(52) 대신에 사용될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 유일한 요건은, 장비가 입자 크기를 감소시키거나 및/또는 폐기물 재료의 균일성을 증가시킬 수 있어야만 한다는 것이다. 이러한 장비의 예들은 크러셔(crusher)들, 분쇄기들, 그라인더들, 밀(mill)들, 및 유사한 것을 포함한다. 또한, 일반적인 관행으로서, 보통 파쇄기(52) 또는 다른 입자 크기 감소 장비를 분진 제어기능을 갖는 봉입된 챔버 내에서 동작시키는 것이 바람직하다.
파쇄기(52)는 DAW를 임의의 적절한 입자 크기로 감소시키도록 구성될 수 있다. 선호되는 실시예들에 있어서, 파쇄기(52)는 약 0.5 인치(12.7 mm) 내지 약 1 인치(25.4 mm) 범위의 개구부들을 갖는 스크린에 대고 DAW를 파쇄하도록 구성된다. 범위는 다음의 인자들에 기초하여 선택된다: (1) 0.5 인치 아래로 입자 크기까지 폐기물 재료를 감소시키는 것이 상당한 분진 생성을 야기할 수 있다, (2) 0.5 인치 아래의 입자 크기들은 조기 용출을 증가시켜서 입자들이 유동화된 베드 반응기(34) 내에서 충분한 체류 시간을 갖지 않는다; (3) 1 인치보다 더 큰 입자 크기는 유동화된 베드와 잘 유동화되지 않으며 연장된 체류 시간을 야기할 수 있고 스루풋 및 변환에 대하여 부정적인 영향을 줄 수 있다.
크기가 감소된 DAW 입자들은 공급기(54)(대안적으로 공급 디바이스 또는 공급 메커니즘)를 사용하여 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급된다. 공급기(54)은, DAW 입자들을 유동화된 베드 반응기(34) 내로 전달할 수 있는 임의의 적절한 디바이스 또는 메커니즘일 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 적절한 공급기들의 예들은 스크루 또는 오거(auger) 공급 메커니즘들, 유압식 공급 메커니즘들, 및 유사한 것을 포함한다.
DAW 공급물은 임의의 적절한 위치에서 유동화된 베드 반응기(34)에 진입할 수 있다. 예를 들어, DAW 공급물은 유동화된 베드 반응기(34)의 측벽을 통해 또는 하단을 통해 진입할 수 있다. 도 2는, 바람직하게는, 유동화 가스 분배기(64) 위의 수 인치에서, 유동화된 베드 반응기(34)의 측벽을 통해 진입하도록 구성된 DAW 공급의 일 예를 도시한다. 도 3은, 유동화 가스 분배기(64) 바로 위의 개구부 및 유동화된 베드 반응기(34)의 하단을 통해 진입하도록 구성된 DAW 공급의 일 예를 도시한다. 일반적으로, DAW 공급물이 유동화된 베드 반응기(34)의 유동화된 부분에 진입하는 것이 바람직하다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, DAW는, 챔버 또는 파이프(60)의 상단에 위치된 상단 또는 제 1 밸브(58) 및 챔버(60)의 하단에 위치된 하단 또는 제 2 밸브(62)를 포함하는 수직 락-호퍼(lock-hopper)(56)를 사용하여 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급될 수 있다. 밸브들(58, 62)은, 볼 밸브, 나이프 밸브, 게이트 밸브, 또는 유사한 것과 같은 임의의 적절한 유형의 밸브일 수 있다.
밸브들(58, 62)은 다음의 시퀀스로 동작될 수 있다: (1) 상단 밸브(58)가 개방되고 DAW 입자들이 챔버(60)에 진입한다, (2) 상단 밸브(58)가 폐쇄된다, (3) 챔버(60)는, 챔버(60) 내의 압력이 유동화된 베드 반응기(34) 및 공급기(54) 내의 압력과 동일해질 때까지 가스(예를 들어, 질소 가스)로 가압된다, (4) 전체 배치(batch)가 하단 밸브(62) 아래에 있을 때까지 하단 밸브(62)가 개방되고 DAW 입자들이 수평 공급기(54)로 떨어지거나 및/또는 푸시된다, (5) 하단 밸브(62)가 폐쇄되며, 챔버(60)는 상류측 유닛 동작의 압력 레벨까지 감압된다, 및 (6) DAW 입자들이 가스-기밀, 고-토크 스크루 공급기(예를 들어, 압출 다이가 없는 압출기)를 사용하여 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급된다.
이상에서 언급된 바와 같이, 공급기(54)는 임의의 적절한 유형의 공급기일 수 있다. 그러나, 다이가 없는 압출기와 같은 고 토크 스크루 공급기가 유익할 수 있으며, 이는 이것이, 심지어 입자들이 용융되었거나, 응집되었거나, 또는 달리 반응기(34)의 높은 열에 기인하여 물리적인 변화들을 겪었을 때에도 DAW 입자들을 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급할 수 있기 때문이다. 압출기 스크루는 유동화된 베드 반응기(34)의 벽을 통해 연장할 수 있으며, 팁(tip)은 벽의 표면과 동일 평면에 있을 수 있다. 압출기에는 또한 이하에서 설명되는 공급기 어댑터 디바이스와 연관되는 것과 같은 냉각 재킷이 구비될 수 있다.
소비된 IER 공급 시스템(32)는 소비된 IER을 받고, 홀딩하며, 이를 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급하기 위하여 사용된다. 이것이 소비된 IER을 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급할 수 있는 한, IER 공급 시스템(32)이 임의의 적절한 구성을 가질 수 있으며 다수의 적절한 디바이스들 중 임의의 디바이스를 사용할 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 다음의 논의가 소비된 IER을 공급하는 것에 초점을 맞추지만, 이는 동일하게 소비된 GAC에도 적용될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 소비된 GAC는, 시스템들(32, 73) 또는 어떤 다른 시스템과 관련하여 개시된 특징들 중 임의의 하나 또는 조합을 갖는 별개의 공급 시스템을 사용하여 소비된 IER과는 별개로, 소비된 IER과 함께 공급될 수 있다.
도 1에 도시된 소비된 IER 공급 시스템(32)은 소비된 IER을 슬러리로서 유동화된 베드 반응기(34) 내에 공급하도록 구성된 슬러리 기반 시스템이다. 도 4는 소비된 IER 공급 시스템(32)의 동일한 실시예를 더 상세하게 도시한다. 소비된 IER은 처음에 홀딩 탱크(66)로 연속적으로 또는 배치식으로(batchwise) 전달된다. 소비된 IER은 펌프(68)(예를 들어, 연동 펌프, 프로그레시브 캐비티 펌프(progressive cavity pump), 또는 유사한 것)를 사용하여 일정한 흐름 레이트로 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급된다.
물은 소비된 IER 비드(bead)/파우더(powder)를 유동화된 베드 반응기(34) 내로 이송하거나 및/또는 현탁하기 위하여 사용된다. 전형적으로, 슬루싱(sluicing) IER 슬러리의 수분 함량은 중량으로 75-90 wt%이다. 소비된 IER은 설계된 프로세싱 레이트로 슬루싱된다. 최대 흐름 레이트는 유동화된 베드 반응기(34)의 크기에 의해 제한된다. 최소 흐름 레이트는 소비된 IER의 특성에 의해 제한된다. 흐름은, 소비된 IER이 용액 내에 현탁되어 이것이 침전되지 않도록 유지하기에 충분히 빨라야 한다. 또한, 이송 라인 또는 파이프는 소비된 IER이 라인을 막는 것을 방지하기 위한 특정 크기를 가져야만 한다. 예를 들어, 소비된 IER 비드들에 대하여, 0.5 인치 ID 슬러리 이송 파이프를 이용할 때 최소 레이트는 0.25 gpm(2 ft3/hr)이다.
하나 이상의 첨가제들(70)은 선택적으로, 유동화된 베드의 응집(agglomeration)을 방지하거나 및/또는 최종 폐기물 산물을 안정화하기 위하여 소비된 IER 공급 스트림에 첨가될 수 있다. 첨가제들(70)은 임의의 적절한 방식으로 IER 공급 스트림에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 첨가제들(70)은 파우더/입자들로서 IER 공급 슬러리 내에 공급되는 슬러리 또는 스크루의 형태로 IER 공급 스트림 내로 공급될 수 있다.
유동화된 베드 응집은, 유동화된 베드 반응기를 동작시킬 때의 일반적인 문제이다. Li, Na, K, 보레이트(borate), 및 유사한 것과 같은 알칼리성 금속 성분은 반응 온도에서 저-용융점 공융물(eutectics)(예를 들어, 알칼리 실리케이트들)을 형성할 수 있다. 저-용융점 공융물들은 특정 온도들 하에서 끈적해지며, 서로뿐만 아니라 베드 입자들과 결합하게 된다. 베드 입자들의 응집은 유동화해제(defluidization) 및 유동화된 베드 반응기(34)의 스케줄링되지 않은 셧다운을 야기할 수 있다. 응집은 고 방사성 환경에서 훨씬 더 문제가 될 수 있으며, 이는 응집된 베드를 고치기 위한 비용이 훨씬 더 높기 때문이다.
소비된 IER 및 DAW는 흔히 상당한 양의 Na 및 K 화합물들을 포함하며, 이는 베드 응집의 위험성이 높을 수 있다. 응집-방지 첨가제 또는 제제(anti-agglomeration additive or agent; AA)는 베드 재료가 응집하는 것을 방지하기 위하여 폐기물 공급에 첨가될 수 있다. AA 재료 내의 활성 성분 또는 AA 재료는 고-용융점 공융물들을 형성하기 위하여 문제가 되는 성분들(예컨대 알칼리 금속들)과 반응해야만 하며, 반응은 저-용융점 공융물 형성 반응보다 더 경쟁력이 있어야만 한다.
적절한 AA 재료들의 예들은, 고-용융점 공융물들을 형성하기 위하여 문제가 되는 성분들과 결합할 수 있는 알루미늄 및 철 화합물들을 포함한다. 공급물의 알칼리성 금속에 대한 알루미늄 및/또는 철 화합물들의 몰 비율은 약 0.2 내지 약 1.5 범위일 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 및/또는 철 화합물들의 도우즈(dose)는 다음의 레시피를 따를 수 있다: B의 몰 당 1.5 몰 알루미늄 및/또는 철 화합물들, Na의 몰 당 1 몰 알루미늄 및/또는 철 화합물들, 1몰 Li의 몰 당 1 몰 알루미늄 및/또는 철 화합물들. 예를 들어, 40 wt%의 MICRAL 632(알루미나 트리히드레이트(alumnia trihydrate)) 또는 산화 철(Fe2O3) 및 60 wt%의 물을 포함하는 슬러리가 IER 공급 슬러리에 첨가될 수 있다.
사용되는 AA 재료의 양은, 알칼리 금속들 및 붕소와 같은 문제가 되는 성분들에 대하여 폐기물 재료를 분석함으로써 결정될 수 있다. 요구되는 AA 재료의 양은, 폐기물 재료 내에 이미 존재하는 AA 재료의 양만큼 감소될 수 있다. 비등수형 원자로(boiling water reactor)들로부터의 소비된 IER은 흔히 상당한 양의 Fe2O3을 가지며, 이는 용이하게 AA로서 역할한다. 유동화된 베드의 응집을 방지하는 것에 더하여, 알루미늄 및/또는 철 화합물들은 또한 최종 폐기물 산물을 안정화하도록 역할하는 스피넬(spinel)들을 형성할 수 있다. 최종 폐기물 산물의 선호되는 형태는 높은 침출 저항(high leach resistance)을 갖는 무수분의 안정적인 산물이다.
소비된 IER은 또한 도 5에 도시된 IER 공급 시스템(73)을 사용하여 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급될 수 있다. 공급 시스템들(32, 73)이 일부 유사성들을 공유하지만, 차이가 나는 원리는, 소비된 IER 공급 시스템(73)은 소비된 IER을 슬러리로 유동화된 베드 반응기(34) 내에 공급하지 않는다는 것이다. 그 대신에, 소비된 IER이 탈수되고, 유동화된 베드 반응기(34) 내로 기계적으로 공급된다.
용어 "탈수된"은 일반적으로 소비된 IER로부터의 자유 수분의 제거를 지칭한다. 따라서, 탈수된 소비된 IER은, 자유 수분이 전부 또는 거의 전부 제거된 소비된 IER이다. 소비된 IER 슬러리에 대하여 약 75 wt% 내지 약 90 wt%에 비하여, 탈수된 소비된 IER의 수분 함량은 전형적으로 약 45 내지 약 55 wt%이다. 일부 실시예들에 있어서, 탈수된 소비된 IER은 70 wt% 이하 또는 60 wt% 이하의 수분 함량을 갖는다.
탈수된 소비된 IER은 다수의 방식들로 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급될 수 있다. 예를 들어, 소비된 IER은, IER이 탈수되는 홀딩 탱크(66)로 배치 이송될 수 있다. 탈수된 소비된 IER은 임의의 첨가제들(70)과 혼합되며, 그런 다음 공급기(72)에 의해 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급된다. 첨가제들(70)은 파우더 또는 미립자들로서 탈수된 소비된 IER에 첨가될 수 있다. 공급기(72)는, 공급기(54)와 관련하여 개시된 것들 중 임의의 것을 포함하는 임의의 적절한 유형의 공급 메커니즘일 수 있다. 예를 들어, 공급기(72)는 단부 상에 다이가 없는 압출기와 같은 고 토크 스크루 공급기일 수 있다.
다른 예에 있어서, 소비된 IER은 제 1 탱크에 연속적으로 이송되거나 또는 배치 이동될 수 있으며, 그런 다음 이것이 탈수되는 제 2 탱크로 슬루싱될 수 있다. 그런 다음, 탈수된 소비된 IER이 홀딩 탱크(66) 내로 공급된다. 유동화된 베드 반응기(34) 내로 탈수된 소비된 IER을 공급하는 프로세스는 이상에서 설명된 것과 동일하다.
유동화된 베드 반응기(34) 내로 탈수된 소비된 IER을 공급하는 것은 다수의 이점들을 제공한다. 하나의 이점은, 소비된 IER 슬러리 내에 자유 수분을 가스화해야 할 필요가 없기 때문에 이것이 더 에너지 효율적이라는 점이다. 다른 이점은, 소비된 IER이 더 이상 슬러리와 같은 최소 공급 레이트 제한을 겪지 않는다는 점이다. 이는, DAW와 같은 다른 폐기물 재료와 함께 작은 양의 소비된 IER을 유동화된 베드 반응기(34) 내로 연속적으로 공급하는 것을 가능하게 한다. 소비된 IER에 대한 최소 공급 레이트 요건을 제거하는 것은, 에너지 소모를 최소화하고 그리고 최종 폐기물 산물 내에 희망되는 방사능 제공하기 위하여 상이한 폐기물 재료들의 공급 레이트를 최적화하기 위한 유연성을 제공한다.
에너지 소모와 관련하여, (탈수되었거나 또는 슬러리 형태이든지) 소비된 IER을 프로세싱할 때, 보통 수증기 변성을 위한 에너지를 제공하기 위하여 목탄, 석탄, 또는 유사한 것과 같은 가연성 재료를 반응기(34)에 첨가하는 것이 필요하다. 가연성 재료를 첨가하는 것은 다수의 단점들을 갖는다. 하나의 단점은, 이것이 프로세스의 비용을 증가시킨다는 점이다. 다른 단점은, 이것이 이러한 재료들 내에 결과적으로 최종 폐기물 산물이 되는 고유한 불순물들을 도입하며 이는 전체 체적 감소에 부정적인 영향을 준다는 점이다.
가연성 재료에 대한 필요성은, DAW와 같은 많은 양의 유기 물질을 갖는 다른 폐기물 재료와 소비된 IER을 코-프로세싱함으로써 제거되거나 또는 감소될 수 있다. DAW는 목탄과 같은 흔히 사용되는 가연성 재료들에 비할만한 발열량을 가지며, DAW 자체는 프로세스를 거치지 않아도 무방하다. 소비된 IER 및 DAW를 코-프로세싱하는 것은 이들을 개별적으로 프로세싱하는 것에 비하여 최종 폐기물 산물의 양을 최소화한다. 또한, DAW를 프로세싱함으로써 생성되는 변성된 잔여물 또는 최종 폐기물 산물은 전형적으로 소비된 IER을 프로세싱함으로써 생성된 것보다 덜 방사성이다. 소비된 IER 및 DAW를 코-프로세싱하는 것은 최종 폐기물 패키지의 방사능 레벨을 균질화하는 이점을 제공한다.
상용 원자력 발전소들에서의 소비된 IER 대 DAW의 전형적인 체적 비율은 1:6 내지 1:15이다. 폐기물이 폐기물 처리 설비에서 현장에서 프로세싱되거나 또는 전체 범위의 원자력 발전소 폐기물을 프로세싱하는 폐기물 처리 설비에서 현장을 벗어나 프로세싱되며 소비된 IER이 슬러리로 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급되는 경우, 소비된 IER은 반드시 최소 흐름 요건들을 충족시키기 위하여 캠페인(campaign) 단위로 프로세싱되어야만 하며, 반면 동작 시간의 대부분은 DAW만을 프로세싱하는데 소비된다.
그러나, 소비된 IER이 슬러리로 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급되지 않는 경우, 이는 DAW와 함께 감소된 레이트로 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공동-공급될 수 있으며, 이는 반응 온도를 유지하는데 요구되는 에너지를 제공한다. 실제로, DAW는 유동화된 베드 반응기(34) 내에서 가연성 재료에 대한 대체물로서 사용된다. 캠페인 단위로 소비된 IER에서 계속해서 프로세싱하는 것이 가능하다는 것이 이해되어야만 할 것이다.
소비된 IER 및 DAW를 코-프로세싱하는 것은 다음을 포함하는 다수의 이점들을 제공한다: (1) 1 프로세스로 핵 설비의 폐기물들의 대부분을 제거하는 것; (2) 목탄과 같은 가연성 재료의 사용을 회피하거나 또는 수량을 감소시켜서 에너지 관점에서 이를 자급형으로 만들고, 비용을 감소시키며, 희망되지 않는 불순물들의 포함에 기인하는 체적 감소에 대한 부정적인 영향을 방지하는 것, 및 (3) 소비된 IER 및 DAW의 공급 비율을 조정함으로써 최종 폐기물 산물의 방사능을 조작하는 것.
도 1을 참조하면, 유동화된 베드 반응기(34)는 체적 감소 및 유기물들의 가스화를 달성하기 위한 메인 유닛 동작이다. 일반적으로, 유동화된 베드 반응기(34)는 주로 합성가스로 가스화되는 유기물 부분을 갖는 폐기물 재료를 분해하고 수증기 변성하기 위하여 사용된다. 베드 매체는 주로 과열된 수증기를 가지고 유동화된다. 폐기물 재료의 수증기 변성 및 열분해를 위해 요구되는 열을 제공하는 산화 반응을 용이하게 하기 위하여 작은 양의 산소가 또한 유동화된 베드 반응기(34)에 공급될 수 있다. 임의의 프로세싱불가능 DAW 입자들은 유동화된 베드 반응기(34)의 하단 밖으로 주기적으로 오거될(augured) 수 있다.
유동화 가스는 유동화된 베드 반응기(34)의 하단에 위치된 분배기(64)를 통해 위쪽으로 흐른다. 가스 흐름은, 베드 입자들 상의 항력(drag force)이 입자들의 중량과 동일하고 베드에 유체-형 거동을 제공하는 흐름 속도인 최소 유동화 속도보다 더 크다. 유체-형 환경은 강한 혼합 및 고체/가스 접촉을 제공한다. 이는 재료들 사이의 열 및 질량 전달을 크게 개선하여 탁월한 온도 분포를 가지고 반응이 균일하게 발생한다.
유동화된 베드 반응기(34)는 유동화 가스에 의해 유동화된 매체의 베드를 포함한다. 베드 매체는 바람직하게는 비활성(화학적으로 반응하지 않음), 마모 저항성, 및 분쇄(crush) 저항성이다. 베드 매체는 임의의 적절한 형상을 가질 수 있지만, 구형 입자들이 선호된다. 베드 매체는 또한 임의의 적절한 크기를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 베드 매체는 약 200 마이크론 내지 약 2000 마이크론의 직경이거나, 또는, 바람직하게는 약 400 마이크론 내지 약 1000 마이크론의 직경이다.
베드 매체는 임의의 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 베드 매체는 소결된 점토, 보크사이트 프로판트(bauxite proppant), 및 유사한 것으로 만들어질 수 있다. 변성된 잔여물과의 상호작용을 통해 응집하는 그것의 경향 때문에, 일반적으로 베드 매체로서 실리카를 사용하는 것이 추천되지 않는다.
유동화된 베드 반응기(34)는 하단에 위치된 오거(auger)를 포함할 수 있다. 오거는, 유동화된 베드 반응기(34)의 하단에 자리잡은 무거운 입자들을 제거하기 위하여 주기적으로 동작될 수 있다. 제거된 입자들은, 최종 폐기물 산물 또는 변성된 잔여물에서 시스템(20)으로부터 제거되는 다른 고체들과 결합된다.
유동화된 베드 반응기(34)는 임의의 적절한 온도에서 동작될 수 있다. 일반적으로, 유동화된 베드는 양호한 온도 제어를 제공한다. 유동화된 베드 영역은, 폐기물 재료가 반응하며 온도가 최고인 장소이다. 반응 온도(또는 유동화된 베드 영역에서의 온도)는 650 ℃ 내지 약 850 ℃, 또는, 바람직하게는 약 700 ℃ 내지 약 750 ℃가 되도록 제어될 수 있다. 더 높은 온도는 반응들을 가속하지만 다음의 인자들이 일반적으로 반응 온도에 대한 상한을 설정한다: (1) 더 높은 온도들에서 Cs 및 Tc의 휘발을 증가시키는 것, (2) CO2의 특정 분압 하에서 DAW 내의 Ca 화합물들의 하소(calcination) 및 탄화(carbonation), 및 (3) 유동화된 베드 반응기(34)와 하류측 별개 장비 사이의 큰 온도 변동들이 기인하여 응집 및 하류측 장비 내의 퇴적(deposition)이 문제가 될 수 있다.
일부 상황들에 있어서, 소비된 IER과 같은 방사성 핵종들의 더 큰 농도를 갖는 다른 형태의 방사성 폐기물들에 대하여 적절한 온도보다 더 높은 온도에서 VLLW DAW와 같은 매우 낮은 레벨의 방사성 폐기물(VLLW; 100 kBq/kg 미만)을 프로세싱하는 것이 바람직할 수 있다. 더 높은 온도는, 열 산화기에 도달하기 이전에 유기 재료가 끈끈한 잔여물로서 프로세싱 장비 상에 응축하거나 및/또는 퇴적하는 것을 방지하는 것을 돕는다. 이러한 상황들에 있어서, 유동화된 베드 반응기(34)는, 약 600 ℃ 내지 약 1100 ℃, 약 850 ℃ 내지 약 1100 ℃, 약 900 ℃ 내지 약 1100 ℃, 또는 약 950 ℃ 내지 약 1100 ℃의 온도에서 동작될 수 있다.
이것이 방사성 핵종들을 휘발시킬 것이기 때문에, 이러한 온도들에서 소비된 IER 및 다른 고 레벨 폐기물들을 프로세싱하는 것이 일반적으로 바람직하지 않다는 것을 주의해야만 한다. 그러나, 이것이 상대적으로 낮은 방사성 핵종 함량을 가지며 더 높은 온도들의 이점들이 방사성 핵종들을 휘발시키는 단점보다 더 가치가 있기 때문에, VLLW DAW와 같은 VLLW를 프로세싱할 때 더 높은 온도들이 유익하다. VLLW 폐기물 내의 소수의 방사성 핵종들은 하류측 가스 여과 프로세스들에서 캡처되어 이들이 환경 내로 릴리즈되지 않는다.
이러한 더 높은 온도들에서 작동하기 위하여, 프로세스 및/또는 시스템 컴포넌트들, 특히 유동화 베드 반응기(34)와 열 산화기(40) 사이의 컴포넌트들은, Haynes 556, Inconel 617, Haynes 230, 및 유사한 것과 같은 고온 합금들을 사용하여 제조될 수 있거나 및/또는 내화성 열 실드들을 포함할 수 있다. 또한, 내화성 열 실드들의 사용은, 덜 신형의 및/또는 덜 비싼 재료들로부터 프로세스 장비를 제조하는 것 및, 예를 들어, 니크롬 합금으로 만들어진 열 트레이스를 포함하는 것을 가능하게 만들 수 있다.
유동화된 베드 반응기(34)는 임의의 적절한 압력에서 동작될 수 있다. 예를 들어, 반응기(34)는, 프리보드(freeboard)에서 대기압에서 또는, 바람직하게는 프리보드에서 약간 네거티브한 압력에서 동작될 수 있다. 약간 네거티브한 압력에서 동작시키는 것은 가스들 및/또는 방사성 입자들이 시스템(20) 밖으로 누설될 위험을 감소시킨다. 이는 방사능의 격납을 유지하는데 도움을 준다. 일부 실시예들에 있어서, 유동화된 베드 반응기(34)는, 약 -50 인치의 물(약 -12.5 kPa) 내지 약 -25 인치의 물(약 -6 kPa) 또는 약 -35 인치의 물(약 -8.7 kPa)의 압력(프리보드에서의)에서 동작될 수 있다.
유동화 가스는 가스 분배기(64)를 통해 유동화된 베드 반응기(34)에 진입한다. 유동화 가스는, 약 450 ℃ 내지 약 600 ℃로 과열된 수증기일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 수증기는 주요 유동화 가스이며 반응성 가스이다. 폐기물 입자들은 주로 식 1에 따른 분해, 식 2에 따른 수증기 변성, 및 식 3 내지 식 6에 따른 산화를 겪는다. 폐기물 재료의 유기 부분 및 (소비된 IER 내의) 수분이 가스화되며, 이는 원래의 폐기물에 비하여 최종 고체 폐기물 산물 또는 변성된 잔여물의 체적을 크게 감소시킨다.
유동화된 베드 반응기(34) 내에서 생성되는 합성 가스는 CO, H2, H2O, 수증기, CO2 및 탄화수소들을 포함하는 반응으로부터 생성된다.
CxHyOz → C + CH4 + CO + H2 + CmHnOl (식1)
유동화된 가스 수증기는 유기물 분해로부터의 또는 (특정 상황들에서 소비된 IER을 프로세싱하기 위한) 가연성 재료의 첨가로부터의 탄소와 반응하여 수소 및 탄소 일산화물 가스를 생성한다.
C + H2O → H2 + CO (식2)
탄소, 탄소 일산화물 및 수소 가스는 다음과 같이 산화될 수 있다.
C + O2 → CO2 (식 3)
2CO + O2 → 2CO2 (식 4)
H2 + O2 → 2H2O (식 5)
탄소 일산화물 및 수증기는 수성 가스 변위 반응을 겪을 수 있으며, 이는 탄소 산화물을 및 수소로 변환된다.
CO+ H2O → CO2 + H2 (식 6)
유동화된 베드 반응기(34)는, 반응 온도를 유지하기 위한 에너지가 탄소함유 재료를 산화시키는 것에 의해 공급되더라도 환원 조건들 하에서 유지되어야만 한다. 이는, 유동화된 베드 반응기(34) 내의 산소 비산성(fugacity)을 제어함으로써 이루어질 수 있다.
산소 비산성은 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급되는 산소의 양을 제어함으로써 조정될 수 있다. 유동화된 베드 반응기(34) 내의 산화 환원 상태들을 "강한 환원"(산소 없음)으로부터 "정상 환원"으로 그리고 심지어, 필요한 경우, "상대적 산화"로 변화시키기 위하여 산소가 첨가될 수 있다. 일반적으로, 다이옥신들/퓨란들의 바람직하지 않은 형성을 방지하고, 희망되는 수증기 변성 반응 온도를 유지하며, 일부 방사성 핵종들의 휘발을 방지하고, 및/또는 NOx 형성을 최소화하기 위하여 환원 측 상의 반응 조건을 유지하는 것이 바람직하다.
식 1 및 식 2에 의해 표현되는 것들과 같은 시스템(24) 내에서 흡열 반응들을 위하여 요구되는 열을 공급하는 것을 포함하여, 유동화된 베드 반응기(34) 내부의 반응 온도를 유지하기 위하여 요구되는 최소양의 산소를 제공하는 것이 일반적으로 바람직하다. 일부 실시예들에 있어서, 반응기 내로 공급되는 산소는 유동화된 베드 반응기(34) 내로 입력되는 가스의 전체 체적의 20 vol%를 초과하지 않는다. 다른 실시예들에 있어서, 당량비는 0.5 이하이며, 잔류 산소가 유동화된 베드 반응기(34)를 떠나지 않는다. 당량비는 공급되는 산소 대 완전한 화학량론적 연소를 위해 요구되는 것의 비율이다.
도 1에서, 유동화된 베드 반응기(34)는 1-패스 구성인 상태이다. 폐기물 재료는 유동화된 베드 반응기(34) 내로 나아가며, 유기 재료가 가스화되고, 탄소질 고체 입자들, 비유기 고체들, 및/또는 베드 미세물질(fine)들을 포함하는 비말 동반된(entrained) 입자들이 가스 스트림에서 빠져 나온다. 사이클론(36) 및 고온 필터(38)는 처리 및/또는 장기 저장을 위하여 비말 동반된 입자들을 분리한다.
1-패스 구성에서, 유동화된 베드 반응기(34)는 2개의 섹션들을 갖는다: (1) 반응기(34)의 하부 섹션에 위치된 유동화된 베드 구역 및 (2) 반응기(34)의 상부 섹션에 위치된 분리 프리보드 구역. 프리보드 구역은 유동화된 베드 구역에 비하여 더 큰 직경을 갖는다. 프리보드 구역의 증가된 직경은 표면적 공간 속도(superficial space velocity)가 감소하게끔 한다. 이는 비말 동반된 입자들 중 다수가 다시 유동화된 베드 영역으로 떨어지게끔 한다.
유동화된 베드 반응기(34)가 유동화된 베드 섹션에서 측정되는 바와 같은 임의의 적절한 표면적 공간 속도를 가질 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 일반적으로, 표면적 공간 속도는 베드 재료의 용출을 최소화하면서 양호한 유동화를 생성해야만 한다. 일부 실시예들에 있어서, 표면적 공간 속도는, 약 1.1 ft/s 내지 약 2.5 ft/s(약 33.5 cm/s 내지 약 76 cm/s), 약 1.2 ft/s 내지 약 2.0 ft/s(약 36.5 cm/s 내지 약 61 cm/s), 약 1.3 ft/s 내지 약 1.7 ft/s(약 39.5 cm/s 내지 약 52 cm/s), 또는 약 1.4 ft/s 내지 약 1.6 ft/s(약 42.5 cm/s 내지 약 49 cm/s)일 수 있다.
유동화된 베드 반응기(34)는, 1-패스 베드 구성 대신에, 재순환 베드 구성에서 동작될 수도 있다. 재순환 베드 구성의 일 예가 도 6에 도시된다. 재순환 베드 구성에서, 비말 동반된 입자들이 사이클론(36)에 의해 분리되고, 유동화된 베드 반응기(34)로 복귀된다. 입자들은, 이들이 사이클론(36)에 의해 분리되기에 너무 미세해지거나 또는 가벼워질 때까지 이러한 방식으로 재순환한다. 이러한 구성은, 그렇지 않았다면 결국 최종 폐기물 산물이 되었을 것인 고체 탄소질 입자들을 반응시킴으로써 폐기물 재료의 체적 감소를 개선한다.
이러한 1-패스 구성에서, 유동화 가스는, 가벼운 미세 폐기물 입자들, 무기물들 및 차(char)(반응되지 않은 탄소)를 포함하는 변성된 잔여물들, 및 장시간 동안 유동화되었고 현탁분리가능(elutriable) 크기 및/또는 중량으로 마모된 어떤 베드 매체를 비말 동반한다. 가스 스트림 내의 입자들의 전부 또는 거의 전부가 변성된 잔여물 내에 수집된다. 1-패스 구성에서, 변성된 잔여물은 5 wt% 내지 20 wt%의 잔여 탄소질 재료를 포함한다.
재순환 구성에서, 반응되지 않은 탄소 및/또는 탄소질 중간물들은 더 양호한 변환을 및 결과적으로 더 큰 체적 감소를 달성하기 위하여 복수 회 프로세싱된다. 재순환 모드는 또한 더 높은 가스 속도 및 더 빠른 유동화를 가능하게 하며, 이는 혼합 및 열과 질량 전달을 추가로 개선하고 응집의 위험성을 감소시킨다. 재순환 구성에서, 변성된 잔여물은 5 wt% 이하 또는 4 wt% 이하의 잔여 탄소질 재료들을 포함한다.
유동화된 베드 반응기(34)의 구성이 다수의 방식들로 변화될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 예를 들어, 재순환 구성에서, 2개 이상의 사이클론(36)이 폐기물 입자들을 분리하고 이들을 유동화된 베드 반응기(34)로 순환시키기 위하여 사용될 수 있다. 사이클론들(36)은 직렬로 및/또는 병렬로 위치될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 직렬로 위치된 2개의 사이클론들(36)이 가스 스트림으로부터 폐기물 입자들을 분리하고 이들을 유동화된 베드 반응기(34)로 순환시키기 위하여 사용될 수 있다.
유동화된 베드 반응기(34)는 완전 순환 베드 또는 부분 순환 베드로서 동작될 수 있다. 차이점은, 완전 재순환 베드에 있어서 입자들의 전부가 유동화된 베드 반응기(34)를 통해 사이클론(36)으로 흐르며, 부분 재순환 베드에 있어서 입자들의 일부만이 유동화된 베드 반응기(34)를 통해 사이클론(36)으로 흐른다는 점이다. 완전 재순환 베드 구성의 유동화된 베드 반응기(34)는 일반적으로 확장 프리보드 구역을 포함하지 않는다. 그 대신에, 유동화된 베드 반응기(34)는 그 전체 길이를 따라 동일하거나 또는 거의 동일한 직경을 갖는다. 그에 반해서, 부분 재순환 베드 내의 유동화된 베드 반응기(34)는 일반적으로 확장 프리보드 구역을 포함한다.
유동화 베드 반응기(34)는, 1-패스 구성(A), 부분적 재순환 구성(B), 및 완전 재순환 구성(C)(균일한 직경; 프리보드 구역 없음)으로 도 7에 도시된다. 완전 재순환 구성에서, 폐기물이 유동화된 베드 반응기(34)에 진입하며 가스화된다. 탄소질 고체 중간물, 무기 고체들, 및 베드 재료들을 포함하는 비말 동반된 입자들은 사이클론(36)에 의해 가스 스트림으로부터 분리되고, 다시 유동화된 베드 반응기(34)로 순환된다. 고체들은, 이들이 사이클론(36)에 의해 캡처되기에 너무 미세해질 때까지 유동화된 베드 반응기(34)를 통해 왕복하는 것을 유지한다.
재순환 구성들에서 유동화 가스가 임의의 적절한 표면적 공간 속도를 가질 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 일반적으로, 유동화 가스의 표면적 공간 속도는 완전 재순환 구성에서 부분적 재순환 구성보다 더 높을 수 있다. 예를 들어, 완전 재순환 구성에서, 유동화된 베드 섹션에서 측정되는 유동화 가스의 표면적 공간 속도는 약 4 ft/s(약 122 cm/s) 내지 약 6 ft/s(약 183 cm/s)일 수 있다. 부분 재순환 구성에서, 유동화된 베드 섹션에서 측정되는 유동화 가스의 표면적 공간 속도는 약 2 ft/s(약 61 cm/s) 내지 약 4 ft/s(약 122 cm/s)일 수 있다.
유동화된 베드 반응기(34)에 산소를 첨가하는 것과 관련하여 다시 돌아가면, 산소가 임의의 적절한 방식으로 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 도 7 내지 도 9는 유동화된 베드 반응기(34) 내로 산소를 공급하기 위하여 다양한 배열들을 도시한다. 산소는 열분해 및 수증기 변성 반응들을 위한 에너지를 공급하기 위하여 사용될 수 있다.
도 7은, 산소가 유동화 가스와 함께 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급되는 일 구성을 도시한다. 구체적으로, 산소는 과열된 수증기와 함께 가스 분배기(64)를 통해 유동화된 베드 반응기(34) 내로 위쪽으로 흐른다. 도 7은, 1-패스 구성(A), 부분적 재순환 구성(B), 및 완전 재순환 구성(C)으로 유동화된 베드 반응기(34)를 도시한다(표면적 공간 속도는 A로부터 C까지 증가한다).
도 8은, 폐기물 재료가 유동화된 베드 반응기(34)의 측면에 진입하는 위치 약간 위의 위치에서 산소가 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급되는 다른 구성을 도시한다. 산소는 이러한 높이에서 반응기(34)의 원주 둘레에 분포된 다수의 포트들 또는 개구부들을 통해 또는 단일 개구부를 통해 유동화된 베드 반응기(34)에 진입할 수 있다. 폐기물 공급물의 입구 바로 위에서 산소를 첨가하는 것은 더 높은-밀도의 공급 입자들 중 일부가 유동화된 베드의 하단에 축적되는 것을 방지하는 것을 도울 수 있다. 이러한 구성은 또한 영역 내에서 핫스팟(hotspot)들을 생성할 수 있는 폐기물 공급물의 입구 근처에서 더 높은 산소 농도를 야기할 수 있다. 도 8은, 1-패스 구성(A), 부분적 재순환 구성(B), 및 완전 재순환 구성(C)으로 유동화된 베드 반응기(34)를 도시한다.
다른 구성에 있어서, 산소는 도 7에 도시된 바와 같이 유동화 가스와 함께 그리고 도 8에 도시된 바와 같이 반응기(34)의 측면을 통해 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급될 수 있다. 각각의 위치에서의 흐름 레이트는 동일한 전체 흐름 레이트를 유지하기 위하여 감소될 수 있다.
도 9는 다수의 레벨들에서 산소가 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급되는 다른 구성을 도시한다. 이는 또한 유동화 가스와 함께 유동화 베드 반응기(34)의 하단을 통해 공급되는 산소를 도시한다. 그러나, 다른 실시예들은 하단을 통하지 않고 유동화된 베드 반응기(34)의 측면을 통해서만 산소 가스를 공급하는 것을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 도 9에 도시된 구성은 특히, 이것이 완전 재순환 모드로 동작할 때 유동화된 베드 반응기(34)에 적용이 가능할 수 있다. 다수의 레벨들에서 산소를 첨가하는 것은, 주어진 영역이 산소가 과도하게 풍부해져서 유동화된 베드의 그 위치에서 환원 조건들을 변화시키는 것을 방지하는 것을 돕는다.
도 10은 유동화된 베드 반응기(34)에서 열분해 및 수증기 변성 반응들에 열을 제공하기 위한 다른 장치를 도시한다. 이러한 장치에 있어서, 유동화된 베드에 산소를 공급하고 첨가된 가연성 재료 및/또는 공급물의 산화로부터 생성되는 열을 사용하는 대신에, 유동화된 베드에 진입하기 이전에 윈드-박스 섹션(74) 내에서 연료를 연소시킴으로써 에너지가 공급된다.
연료가 윈드-박스 섹션(74)에서 연소되며, 생성된 가스(CO2 및 수증기)가 뜨겁고 유동화된 베드로 에너지를 운반하며, 이는 열분해 및 수증기 변성 반응들을 지원하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 연료를 연소시킴으로써 생성되는 반응열이 유동화 가스 수증기를 과열하기 위하여 사용될 수 있다.
이러한 장치의 하나의 이점은, 실제 유동화된 베드 구역을 포함하여 유동화된 베드 반응기(34)가 완전한 환원 조건으로 유지될 수 있다는 것이다. 다른 이점은, 최종 폐기물 산물 내에 모이는 고체 불순물들을 생성하는 목탄과 같은 고체 가연성 연료 대신에 가스상 연료가 사용될 수 있다는 점이다. 다른 이점은, 이것이 유동화된 베드 반응기(34)를 통한 더 높은 유동화 가스 흐름 레이트들을 가능하게 한다는 점이다. 이는, 유동화된 베드 반응기(34)가 부분 또는 완전 재순환 모드로 동작될 때 특히 바람직하다. 산소는 산화 환원 조건을 미세-조정하기 위하여 이상에서 설명된 방식들 중 임의의 방식으로 계속해서 공급될 수 있다.
유동화된 베드 반응기(34)를 가열하기 위하여 다른 방법들이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 하나의 이러한 방법은 전기 가열 엘리먼트들을 사용하여 유동화된 베드 반응기(34)를 가열하는 것이다. 가열 엘리먼트들은 유동화된 베드 반응기(34) 내부에 위치될 수 있거나, 또는, 바람직하게는, 유동화된 베드 반응기(34) 외부 둘레에 위치될 수 있다. 가열 엘리먼트들은 유동화된 베드 반응기(34) 내의 고 마모성 환경 외부에서 더 오래 버틸 것이다. 전기적 가열은 더 작은 크기의 시스템들에 대하여 특히 적절할 수 있으며, 여기에서 유동화된 베드 반응기는 약 10 인치(약 25.4 센티미터) 이하의 직경을 갖는다. 산소는 산화 환원 조건을 미세-조정하기 위하여 이상에서 설명된 방식들 중 임의의 방식으로 계속해서 공급될 수 있다.
도 1을 참조하면, 가스들은 어떤 비말 동반된 고체들과 함께 유동화된 베드 반응기(34)를 떠나며, 고체 분리 시스템(26)에 진입한다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 고체 분리 시스템(26)은 사이클론(36) 및 고온 필터(38)를 포함한다. 사이클론(36)은 고체들의 투박한 분리를 수행하며, 대부분의 분리 하중(load)을 취한다. 고체들 중 나머지가 고온 필터(38)에 의해 제거된다. 고체 분리 시스템(26)은 오프-가스(off-gas) 스트림으로부터 99.9% 이상의 고체 제거를 달성할 수 있다. 고체들은 고체 수집 용기(76) 내에 캡처되며, 궁극적으로는 최종 폐기물 산물로서 처리된다.
유동화된 베드 반응기(34)로부터 열 산화기(40)까지의 배관 및 장비의 온도는, 이들이 열 산화기(40) 내에서 소비될 수 있기 이전에 가스 스트림 내의 탄화수소의 응축을 방지하기에 충분한 상승된 온도로 유지될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 이는, 사이클론(36)의 출구에서의 가스의 온도를 적어도 600 ℃ 이상으로 그리고 고온 필터(38)의 출구에서의 가스의 온도를 적어도 500 ℃ 이상으로 또는, 바람직하게는 550 ℃ 이상으로 유지함으로써 달성될 수 있다. 희망되는 온도를 유지하기 위하여 장비 및 배관이 또한 잘 절연될 수 있거나 또는 심지어 열 추적될 수 있다.
고온 필터(38)는 사이클론(36)으로부터의 뜨거운 오프-가스 스트림으로부터 비말 동반된 미세물질들을 분리하도록 구성된다. 도 11은 고온 필터(38)에 대한 적절한 구성들의 일부 예들을 도시한다. 일반적으로, 고온 필터(38)는, 적어도 600 ℃에 이르는 온도 또는, 바람직하게는 적어도 700 ℃에 이르는 온도를 견딜 수 있는 필터 엘리먼트들(78)을 포함한다. 이러한 온도들에 견디는 필터 엘리먼트들(78)의 예들은 소결된 금속 및/또는 세라믹들로 만들어진 것들을 포함한다.
도 11에 도시된 실시예에 있어서, 필터 엘리먼트들(78)은, 가스가 입구 개구부(82)를 통해 고온 필터(38) 내의 챔버(80) 내로 흐르고, 고체들이 보관된 필터 엘리먼트들(78)의 외부 표면을 통과하며, 필터 엘리먼트들(78)의 내부를 통해 이동하고, 그리고 출구 개구부(84)를 통해 빠져 나가는 것을 의미하는 아웃사이드-인(outside-in) 방식으로 동작하도록 구성된다.
가스 스트림 내의 고체들은 필터 엘리먼트들(78)의 외부 상에 축적되는 경향을 갖는다. 이는 주기적으로 필터 엘리먼트(78)를 백-펄싱(back-pulsing)함으로써 제거될 수 있다. 예를 들어, 필터 엘리먼트들(78)은, 고온 필터(38)에 걸쳐 떨어지는 압력이 미리 설정된 임계를 초과할 때 백-펄싱될 수 있다.
필터 엘리먼트들(78)로부터 제거되는 고체들이 떨어지게 되며, 고온 필터(38)의 하단에 축적된다. 일부 경우들에 있어서, 고체들은 고온 필터(38)의 하단 내의 배출 포트를 막는 브리지를 형성할 수 있다. 도 11은, 입자 브리징을 방지하거나 및/또는 분해할 수 있는 고온 필터(30)의 일부 실시예들을 도시한다.
좌측의 실시예는 브리징된 고체들을 분해하기 위하여 회전 텅(tongue), 체인, 또는 유사한 것과 같은 기계적인 디바이스(86)를 사용한다. 중앙의 실시예는 브리징된 고체들을 공압으로 분해하기 위하여 측면들로부터 가스(예를 들어, 질소 가스)의 일정한 또는 펄싱된 흐름을 사용한다. 우측의 실시예는 브리징된 고체들을 공압으로 분해하기 위하여 상단으로부터 가스(예를 들어, 질소 가스)의 펄싱된 흐름을 사용한다.
브리징된 고체들을 분해하기 위하여 가스를 사용하는 이러한 실시예들에 있어서, 가스는 적어도 500 ℃ 이상의 또는, 바람직하게는, 적어도 650 ℃ 이상의 온도까지 가열되어야만 한다. 또한, 필터 엘리먼트들(78) 내의 그리고 주변의 온도는 적어도 500 ℃ 이상으로 유지되어야만 한다. 중앙 및 우측의 실시예들이 선호되며, 이는 이들이 움직이는 기계적인 부분들을 갖지 않으며 그에 따라서 유지하기에 더 용이하기 때문이다. 브리징된 고체들의 형성을 방지하거나 및/또는 브리징된 고체들을 분해하기 위하여 다수의 다른 방법들이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.
도 1을 참조하면, 가스 스트림은 고체 분리 시스템(26)을 떠나서 오프-가스 처리 시스템(28)에 진입한다. 구체적으로, 오프-가스 스트림은 열 산화기(40)에 진입하며, 여기에서 환원 가스 성분들(예컨대 H2, CO, CH4)은, 가스를 약 1000 ℃ 내지 약 1200 ℃까지 가열하는 천연 가스 화염(flame)에 의해 CO2 및 H2O로 변환된다. 오프-가스 스트림은 선택적으로 열 산화기(40)에 진입하기 이전에 공기와 혼합될 수 있다.
그런 다음, 열 산화기(40)로부터의 가스는 스크러버 시스템(42)으로 진행하며, 여기에서 가스는, 바람직하게는 수 초 이내에, 80 ℃ 아래의 온도까지 수산화나트륨 용액 내에서 급랭(quench)된다. HCL, SO2, 및 NOx와 같은 임의의 가스상 산성 성분들이 스크러빙되고 수증기가 응축된다. 스크러버 배스(bath)의 pH는, 수산화나트륨 용액을 지속적으로 보충함으로써 약 6.5 내지 약 7.5로 유지될 수 있다. 2차 폐기물-염의 체적을 상당히 증가시키는, 이산화탄소가 스크러빙되는 것을 방지하기 위하여 용액의 pH가 6.5 아래로 많이 떨어지지 않도록 하는 것이 일반적으로 바람직하다.
스크러버 시스템(42)으로부터의 스크러버 액체는 수분을 제거하기 위하여 건조기 시스템(44) 내에서 스프레이-건조된다. 건조된 고체 입자들은 여과 시스템(46) 내에서 가스 스트림을 포함하는 수증기로부터 분리된다. 건조된 염은 2차 산물로서 여과 시스템(46)으로부터 수집된다.
스크러버 시스템(42)으로부터의 오프-가스는 주로 이산화탄소 및 질소 가스, 및 어쩌면 어떤 잔류 산소 가스로 구성된다. 이것과 여과 시스템(46)으로부터의 오프-가스 스트림이 대기로 방출되기 이전에 최종 여과 시스템(48)을 통과한다. 일 실시예에 있어서, 여과 시스템(48)은, 가스 스트림들 내의 임의의 추가적인 불순물들을 제거하는 HEPA 필터들을 포함한다.
도 12는, 열 산화기(40)로부터의 오프-가스가 유동화된 베드 반응기(34)에 대한 유동화 가스로서 사용되는 시스템(20)의 대안적인 실시예를 도시한다. 이러한 실시예는 유익하게는 에너지 소모, 수분 재고(water inventory) 및 전체 방출들을 감소시킬 수 있다.
도 12는 재순환 구성(부분 또는 완전 재순환)의 유동화된 베드 반응기(34)를 도시한다. 그러나, 열 산화기(40)로부터의 오프-가스가 또한, 유동화된 베드 반응기(34)가 1-패스 구성일 때 재순환될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.
열 산화기(40)로부터의 오프-가스 스트림은 약 950 ℃ 내지 약 1100 ℃의 온도를 가지며, 오프-가스 스트림은 주로 수증기 및 이산화탄소로 구성된다. 열 산화기(40)의 설계는, 오프-가스 스트림의 압력이 유동화 가스에 대한 압력 요건과 부합하는 약 15 psig(약 103 kPa) 내지 약 50 psig(약 345 kPa)가 되게 하는 것이다.
오프-가스 스트림은 시스템(20) 내의 전체 질량 균형을 유지하기 위하여 분할된다. 방출 스트림은 이상에서 개시된 바와 같이 하류측 프로세스를 통과한다. 재순환된 오프-가스 스트림은 상당한 양의 수증기를 포함하며, 이는 추가적인 신선한 수증기에 대한 필요성을 제거하거나 또는 감소시킨다.
이러한 실시예는 몇몇 이점들을 갖는다: (1) 에너지 소비의 상당한 감소(유동화 가스를 생성/과열하기 위하여 최소한의 에너지가 요구되거나 또는 요구되지 않으며; 감소된 체적의 오프-가스를 급랭하기 위하여 더 적은 에너지가 요구된다); (2) 더 적은 물 소비, 및 설비로부터의 더 적은 수증기의 배출; (3) 하류측 장비 및 수증기 생성기의 잠재적인 상당한 크기 감소. DAW 및 소비된 IER 내에 트리튬이 없거나 또는 최소 레벨의 트리튬이 존재하며, 이는 트리튬 레벨을 증가시키지 않고 시스템 내에서 수분(수증기)이 재순환하는 것을 가능하게 만든다.
도 13 내지 도 15는, 공급 재료가 고온 유닛 동작으로 공급될 때 공급 재료의 열 유도형 반응들을 방지하기 위하여 사용될 수 있는 공급 어댑터 디바이스(90)의 일 실시예를 도시한다. 도 13은 그것의 길이 방향 축을 따른 공급 어댑터 디바이스(90)의 단면도를 도시한다. 도 14는 공급 어댑터 디바이스(90)의 공급 단부의 단면도를 도시한다. 도 15는 공급 어댑터 디바이스(90)의 길이 방향 축을 가로지르는 축을 따른 단면도를 도시한다. 시스템(20)의 맥락에 있어서, 공급 어댑터 디바이스(90)는 유동화된 베드 반응기(34) 내로 폐기물 재료를 공급하기 위하여 사용될 수 있다.
공급 어댑터 디바이스(90)는, 폐기물 재료가 유동화된 베드 반응기(34)에 진입하기 이전에 분해되거나 또는 달리 반응하는 것을 방지하도록 구성된다. 이는 특히, 이들이 반응기(34)에 진입하기 이전에 어떤 상당한 반응들을 겪지 않고 DAW 및 탈수된 소비된 IER이 유동화된 베드 반응기(34) 내로 공급되는 것을 가능하게 하기 위하여 공급기들(54, 72)과 함께 사용하기에 적절하다. 이는 또한 슬러리 공급 스트림들과 같은 다른 공급 스트림들과 함께 사용될 수 있다. 그러나, 슬러리들은 이것이 유동화된 베드 반응기(34)에 도달하기 이전에 공급 스트림을 냉각하는 수분을 포함하며 그럼으로써 공급 어댑터 디바이스(90)를 아주 불필요하게 만든다.
폐기물 재료가 유동화된 베드 반응기(34)에 진입하기 위한 최적의 위치들 중 하나는 유동화된 베드의 하부 부분에 있다. 이들의 예들이 도 2 내지 도 3에 도시된다. 이는 공급기들(54, 72) 및 폐기물 재료가 유동화된 베드 반응기(34) 내의 가장 뜨거운 구역과 직접 접촉하게끔 하며, 이는 이들을 유동화된 베드로부터의 열 전달에 영향을 받기 쉽게 만든다.
폐기물 재료가 유동화된 베드에 물리적으로 진입하기 이전에 공급기들(54, 72) 내에서 반응하는 것이 바람직하지 않다. 또한, 이상에서 설명된 바와 같이, 물과 같은 냉각제 유체를 폐기물 재료와 함께 유동화된 베드 내로 공급하는 것이 바람직하지 않다. 공급 어댑터 디바이스(90)는 폐기물 재료가 유동화된 베드에 진입하기 이전에 이를 냉각한다. 공급 어댑터 디바이스(90)는 공급기들(54, 72)에 결합될 수 있으며, 유동화된 베드 반응기(34)의 벽 또는 하단을 통해 연장할 수 있다. 이상에서 언급된 바와 같이, 공급기들(54, 72)은 압출기 또는 유사한 것과 같은 고-토크 스크루 공급기를 포함하는 임의의 적절한 공급기일 수 있다. 또한, 공급 어댑터 디바이스(90)는 냉각제 액체 또는 가스와 같은 냉각제 유체를 사용하여 능동적으로 냉각될 수 있다.
공급기 어댑터 디바이스(90)는 공급 스트림 내로 냉각제를 도입하지 않고 폐기물 공급 스트림 내에서 열 유도형 반응들이 열적으로 프로세싱되는 것을 방지하도록 구성된다. 이는, 프로세스로부터 공급 어댑터 디바이스(90)의 노즐로의 열 에너지의 전달을 제한하고, 노즐로 전달되는 열 에너지를 제거하며, 공급 스트림 자체로부터 열 에너지를 제거함으로써 달성된다.
공급 어댑터 디바이스(90)는, 디바이스(90)를 관통하는 공급 보어(bore)(96)를 획정(define)하는 보어 튜브 또는 보어 슬리브(94)를 둘러싸는 하우징(92)을 포함한다. 공급 어댑터(90)는 또한 보어 튜브(94)를 둘러싸는 열 코어(98) 및 열 코어(98)를 둘러싸는 아이솔레이터(isolator) 튜브 또는 링(100)을 포함한다. 이는 또한 공급 단부(102) 및 배출 단부(104)를 포함한다. 열 코어(98)는 열을 보어 튜브(94)로부터 멀어지도록 전달하며 폐기물 재료가 너무 뜨거워지고 분해되는 것을 방지하도록 구성된다.
하우징(92)은 프로세스 플랜지(flange)(106), 공급 플랜지(108), 몸체(110), 및 몸체 연장부(112)를 포함한다. 몸체 연장부(112)는 공급 어댑터 디바이스(90)의 배출 단부(104)에 위치된 열 칼라 또는 링(114)을 포함한다. 열 칼라(114)는, 보어 튜브(94)를 둘러싸며 하우징(92)의 외부 표면까지 완전히 연장하는 상대적으로 두꺼운 재료이다.
프로세스 플랜지(106)는, 프로세스 반응기 또는 용기, 즉, 이러한 경우에는 유동화된 베드 반응기(34)에 공급 어댑터 디바이스(90)를 결합하기 위하여 사용된다. 공급 플랜지(108)는 공급 어댑터 디바이스(90)를 공급 스트림 전달 장비에 결합하기 위하여 사용된다.　예를 들어, 공급 플랜지(108)는 공급 어댑터 디바이스를 다이가 없는 압출기와 같은 스크루-기반 공급 디바이스에 결합하기 위하여 사용될 수 있다.
몸체(110)는 플랜지들(106, 108)을 함께 결합하고, 냉각 유체에 대한 격납을 제공한다. 이는 또한 냉각 유체의 공급 및 배출 라인들에 대한 연결 지점들을 제공하고, 몸체 연장부(112) 및 보어 튜브(94)를 지지한다.　연결 지점들의 구성은 필요에 따라 변화될 수 있다. 몸체(110)는 또한, 디바이스(90) 내로 그리고 밖으로의 냉각 유체의 흐름을 용이하게 하는 내부 체적을 갖는다.　몸체 연장부(112)는 프로세스 플랜지(106)에 결합되며, 유동화된 베드 반응기(34) 내로 바깥쪽으로 연장한다. 이는 또한 냉각 유체에 대한 격납을 제공한다. 몸체(110) 및 몸체 연장부(112)의 구성들이 다양한 애플리케이션 요건들을 충족시키기 위하여 변화될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.
보어 튜브(94)는 공급 플랜지(108)에 연결되며, 하우징 몸체(110), 하우징 몸체 연장부(112), 및 열 칼라(114)의 중앙을 통해 연장한다. 보어 튜브(94)는 공급 스트림을 포함하며, 공급 스트림을 냉각 유체로부터 분리한다. 스크루 공급기 또는 압출기를 사용하는 공급 시스템들에 대하여, 보어 튜브(94)는 스크루 공급기 또는 압출기의 보어의 연장부가 된다. 보어 튜브(94)를 통해 공급 어댑터 디바이스(90)의 배출 단부(104)까지 완전히 연장하는 연장된 스크루들이 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 폐기물 재료는 배출 단부(104)에서를 포함하여 디바이스(90)를 통해 스크루에 의해 완전히 맞물린다.　연장된 스크루들은 내부 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 열 또는 마모 저항성 코팅들이 공급 보어(96)를 통한 폐기물 재료의 통과를 용이하게 하기 위하여 보어 튜브(94)에 도포될 수 있다.
도 13 및 도 15를 참조하면, 열 칼라(114)는 공급 어댑터 디바이스(90)의 배출 단부(104)에 위치된다. 이는, 하우징 몸체 연장부(112)의 부분이며 보어 튜브(94)를 지지하는 링이다. 열 칼라(114)는 공급 어댑터 디바이스(90)의 종점에 존재하며, 여기에서 이는 열적 프로세스와 인터페이스하고 냉각 유체를 열적 프로세스로부터 분리한다.　열 칼라(114)는 열 코팅으로 코팅될 수 있다.
동작 시에, 열 칼라(114)는, 열적 프로세스를 폐기물 공급 시스템(30, 73)으로부터 분리하는 열 장벽으로서 역할한다. 열 칼라(114)의 하나의 단부 또는 측면은 열적 프로세스에 노출되며, 다른 단부 또는 측면은 냉각 유체에 노출된다. 열 칼라(114)에 의해 흡수되는 열 에너지는 열 칼라(114)를 통해 전도되며, 그런 다음 냉각 유체로 버려진다. 이는 프로세스 및 냉각 조건들에 의존하여 열 칼라(114)의 길이를 따라 온도 구배를 생성할 수 있다. 대안적으로, 열 칼라(114)는 냉각 유체에 더하여 또는 그 대신에 열 코어(98)와 직접 접촉하도록 위치될 수 있다.　이러한 실시예에 있어서, 열 전도성 제제가 열 칼라(114)로부터의 열 에너지를 열 코어(98)로 전달하기 위하여 사용될 수 있다.
열 코어(98)는 높은 열 전도율을 갖는 튜브 또는 슬리브이며, 보어 튜브(94)의 외부와 직접 접촉하도록 위치된다. 열 코어(98)는 하우징 내의 냉각제 공급 구역으로부터 열 칼라(114)에 인접하는 영역까지 연장한다.　열 코어(98)는 그것의 길이를 따라 내부 통로들(116)을 가지며, 이는 열 코어(98)의 길이를 따라 냉각 유체 공급부로부터의 냉각 유체의 흐름을 보내며, 열 칼라(114) 상에 부딪히는 냉각 유체를 제트(jet)로 배출한다.
냉각 유체는 열 코어(98) 주위를 흐르고 다시 하우징 몸체 연장부(112) 내의 채널 또는 캐비티(118)를 통해 흐르며, 여기에서 냉각 유체가 디바이스(90)로부터 배출된다.　냉각 유체는, 냉각 유체가 다시 채널(118)을 통해 흐를 때 열 코어(98)로부터 열 에너지를 제거한다. 보어 튜브(94)와 직접적으로 접촉하는 열 코어(98)는 보어 튜브(94)로부터 열 에너지를 제거하며, 이는 프로세스 공급 스트림으로부터 열 에너지를 제거한다.
아이솔레이터 튜브(100)는 열 코어(98)를 둘러싸며, 통로들(116) 내의 인입 냉각 유체가 채널(118) 내의 유출 냉각 유체로부터 분리되도록 유지한다. 실제로, 아이솔레이터 튜브(100)는 디바이스(90)의 내부 체적을 2개의 구역들로 분할한다. 하나는 냉각 유체를 공급하기 위한 것으로서 통로들(116)을 포함한다. 다른 것은 냉각 유체를 제거하고 배출하기 위한 것으로서 채널(118)을 포함한다.
냉각 유체 또는 냉각제는 액체 또는 기체 상의 임의의 적절한 열 전달 유체일 수 있다.　적절한 액체 냉각 유체들의 예들은, 비제한적으로, 서비스 용수(service water), 응축기 용수(condenser water), 냉각수 등을 포함한다.　가스 냉각 유체들의 예들은, 비제한적으로, 질소, 아르곤, 프레온, 압축 공기 등을 포함한다. 냉각제 유체는 열 성능을 증가시키기 위하여 액체/기체 상 변화를 겪을 수 있다.
예들
다음의 예들은 개시된 내용을 추가로 예시하기 위하여 제공된다. 이들은 어떠한 방식으로도 청구항들의 범위를 제한하거나 또는 한정하기 위하여 사용되지 않아야만 한다.
예 1
이러한 예에 있어서, 상이한 공급물들이 프로세스에 어떻게 영향을 줬는지를 결정하기 위하여 열적 체적 감소 프로세스가 탈수된 이온 교환 수지(IER) 공급물 및 IER 슬러리 공급물을 사용하여 테스트되었다. 탈수된 IER 공급물은 약 55%의 수분 함량을 가졌으며, 다이가 없는 스크루 압출기를 사용하여 유동화된 베드 반응기 내로 공급되었다. IER 슬러리 공급물은 약 85%의 수분 함량을 가졌으며, 연동 펌프를 사용하여 유동화된 베드 반응기 내로 공급되었다. 유동화된 베드 반응기의 직경은 15 인치였다.
IER 슬러리 공급물이 단일 실행으로 테스트되었다. 탈수된 IER 공급물은 2번의 실행으로 테스트되었으며, 여기에서 제 2 실행의 공급 레이트는 제 1 실행의 공급 레이트보다 50% 더 컸다. 테스트들의 결과들이 이하의 표 1에 도시된다.
[표 1 - IER 공급물 옵션들: IER 슬러리 대 탈수 IER]
Figure 112019061631753-pct00001
데이터는, 유동화된 베드 반응기 내로 탈수된 IER을 공급하는 것이 적어도 2개의 이점들을 제공한다는 것을 보여준다. 첫째, 이는 목탄 공급 레이트가 크게 감소되는 것을 가능하게 한다. 이는 프로세스의 비용을 낮추고, 목탄 내의 불순물들에 기인하는 폐기물의 체적 감소에 대한 부정적인 영향을 최소화한다. 둘째, 이는 슬루싱 IER에 비하여 주어진 크기의 유동화된 베드 반응기의 스루풋을 증가시킨다.
예 2
이러한 예에 있어서, 이들이 어떻게 프로세스에 영향을 주는지를 결정하기 위하여 상이한 공급 조성물들을 사용하여 열적 체적 감소 프로세스가 테스트되었다. 공급 조성물들이 테스트되었다: (1) IER 슬러리 공급물, (2) 잡고체 폐기물(DAW) 공급물, (3) DAW 및 IER의 혼합물(DAW 및 IER은 유동화된 베드 반응기에 진입하기 이전에 혼합되었다), 및 (4) 유동화된 베드 반응기 내로의 DAW 및 IER의 연속적인 공동-공급(DAW 및 IER은 반응기 내로 별개로 공급되었다). 공급물 1은 유동화된 베드 반응기 내로 펌핑되었으며, 공급물들 2-4는 다이가 없는 압출기를 사용하여 유동화된 베드 반응기 내로 스크루-공급되었다. 테스트들의 결과들이 이하의 표 2에 도시된다.
[표 2 - 공급 조성물 비교]
Figure 112019061631753-pct00002
데이터는 DAW 및 IER을 함께 프로세싱하는 것이 적어도 2개의 이점들을 제공한다는 것을 보여준다. 첫째, 이는 정상 상태 동작 동안 임의의 목탄의 추가를 필요로 하지 않는다. 이는 프로세스의 비용을 낮추고, 목탄 내의 불순물들에 기인하는 폐기물의 체적 감소에 대한 부정적인 영향을 최소화한다. 둘째, DAW 및 IER의 조합에 의해 생성되는 변성된 잔여물(reformed residue; RR)의 방사능이 IER 단독일 때보다 더 낮았다. 이는, 2개의 폐기물들을 함께 프로세싱하는 것이 최종 패키지의 방사능을 제어하는데 있어서 어떤 유연성을 제공한다는 것을 입증한다. 이는, 원자력 발전소로부터의 인입 폐기물들의 방사능 레벨이 상당히 변화하는 상황들에서 유용할 수 있다.
예 3
이러한 예에 있어서, 열적 체적 감소 프로세스의 유동화된 베드 반응기 내로 잡고체 폐기물(DAW)을 성공적으로 공급하기 위한 능력이 테스트되었다. 유동화된 베드 반응기 내로 DAW를 공급하기 위한 통상적인 방법은 슬러리를 형성하도록 이를 물과 결합하고 그런 다음 슬러리를 반응기 내로 공급하는 것이다. 물은 DAW가 유동화된 베드 반응기에 진입하기 이전에 반응하는 것을 방지하기 위한 냉각제로서 역할한다. 이러한 테스트는, DAW가 슬러리의 형태가 아닌 상태로 반응기 내로 공급될 수 있는지 여부를 결정하기 위하여 수행되었다.
공급 어댑터 디바이스는 스크루 압출기를 유동화된 베드 반응기에 연결하기 위하여 사용되었다. 공급 어댑터 디바이스는, 금속 외부 벽 및 내부 내화성 라이너(liner)를 포함한 유동화된 베드 반응기의 벽을 관통해 13.5 인치 연장하였다. 공급 어댑터 디바이스의 쉘(shell)은 냉각제 유체가 디바이스를 냉각하기 위하여 이를 통해 순환되는 내부 유체 채널들을 포함하였다. 냉각제 유체는 -3 ℃의 온도로 공급되었으며, 5 gpm의 레이트로 순환되었다. 일반적으로, 공급 어댑터 디바이스의 구성은 도면들에 도시되고 설명된 것과 유사하거나 또는 동일하다.
유동화된 베드 반응기는 일련의 테스트들이 수행되는 동안 50 시간 동안 900 ℃에서 동작되었다. 동작 온도는 반응기의 정상 동작 온도의 상단이었으며, 이는 약 700 내지 약 900 ℃이다. 다이가 없는 2-인치 압출기가 공급 어댑터 디바이스를 통해 유동화된 베드 반응기 내로 DAW를 공급하기 위하여 사용되었다. 공급 어댑터 디바이스의 노즐 또는 배출 포트는 뜨거운 유동화 베드를 직접적으로 향한 전면을 갖는 유동화된 베드 반응기의 내부 벽 내부에 존재하였다.
유동화된 베드 반응기의 벽을 통해 연장하는 공급 어댑터 디바이스의 섹션은 반응기의 벽의 외부 표면에서의 220 ℃로부터 내화성 라이너의 내부 표면에서의 900 ℃까지의 온도 구배를 경험하였다. 공급 어댑터 디바이스는 유동화된 베드 반응기의 벽으로부터의 전도성 열 전달을 통해서뿐만 아니라 그것이 향한 유동화된 베드 영역으로부터의 방사 열 전달로부터 가열되었다.
압출기 자체 내에서 어떠한 용융도 관찰되지 않았으며, 공급 어댑터 디바이스의 노즐 내에서 어떠한 잔여물들의 용융이나 또는 타는 것(charring)이 관찰되지 않았다. 노즐의 단부 상에 일부 변색이 존재하였으며, 이는, 유동화된 베드 반응기 내로 포트의 벽 및 노즐의 외부 벽 사이의 영역 내로 침입한 일부 무거운 탄화수소 증기의 농축에 기인하였다. 그러나, 전반적으로, 결과들은, 공급기 어댑터 디바이스가 DAW 폐기물 공급물이 반응기 내로 공급될 때 이를 성공적으로 차폐하였다는 것을 보여주었다.
예 4
이러한 예에 있어서, 이들이 어떻게 프로세스에 영향을 주는지를 결정하기 위하여 상이한 DAW 공급 조성물들 및 프로세스 조건들을 사용하여 열적 체적 감소 프로세스가 테스트되었다. 3가지 유형들의 공급물들이 테스트되었다. 공급물들 중 2개는 DAW만을 포함하였으며(공급물 유형들 A 및 B), 하나는 DAW 및 IER의 조합을 포함하였다(공급물 유형 C). 프로세스는 유동화된 베드 반응기, 반응기의 하류측에 위치된 사이클론 분리기, 및 고온 반응기의 하류측에 위치된 고온 필터를 포함하였다. 프로세스는, 고체들 중 아무것도 사이클론으로부터 다시 유동화된 베드 반응기로 재순환되지 않는 1-패스 모드 및 고체들 중 일부가 사이클론으로부터 유동화된 베드 반응기로 재순환되는 부분 재순환 모드 중 하나로 동작되었다. 각각의 테스트에 대한 프로세스 조건들뿐만 아니라 결과들이 표 3A 및 표 3B에 도시된다.
[표 3A - 열적 체적 감소 테스트 조건들]
Figure 112019061631753-pct00003
[표 3B - 열적 체적 감소 테스트 조건들(계속됨)]
Figure 112019061631753-pct00004
결과들은 프로세스의 다수의 주목할 만한 측면들을 보여준다. 하나의 측면은, 공급물이 IER을 포함하는 것들을 포함하는 프로세스 조건들 중 임의의 조건 하에서 프로세스의 정상-상태 동작을 위하여 어떠한 추가적인 연료도 필요하지 않았다는 것이다. 다른 측면은, 프로세스가 700-750 ℃의 온도에서 동작되었을 때 무시할 만한 다이옥신 형성이 존재하였다는 것이다. 또 다른 측면은, 부분 재순환 조건에서 유동화된 베드를 동작시키는 것이 1-패스 동작에 비하여 감소 및 탄소 변환을 크게 개선하였다는 것이다. 결과들은 또한, 예를 들어, 완전 재순환 조건으로 유동화된 베드 반응기를 동작시킴으로써, 그것의 설계를 추가로 변경하거나 및/또는 시스템의 동작 파라미터들을 최적화함으로써, 폐기물의 체적/중량 감소를 추가로 최적화할 가능성이 존재한다는 것을 나타낸다.
결과들은, 반응기에 산소가 더 많이 부족할 때, 탄소 변환이 반응기가 덜 환원성 조건에서 동작하고 있을 때만큼 높지 않았다는 것을 보여준다. 그러나, 더 높은 반응기 온도들 - 즉, 850-900 ℃ -에서, 더 많은 산소(및 그에 따라 더 높은 정도의 산화)가 유동화된 베드의 고온을 유지하기 위한 에너지를 제공하기 위하여 요구되었다. 더 높은 온도의 동작에서 일부 다이옥신 형성이 존재하였다. 그럼에도 불구하고, 이러한 조건들에 대하여 대기로의 배출의 지점에서의 다이옥신 레벨은 전부 0.05 ng/dscm 아래였다. 더 높은 반응기 온도들 - 즉 850-900 ℃에서 관찰된 사이클론 내의 일부 바람직하지 않은 칼슘 화합물들의 축적이 존재하였다.
예시적인 실시예들
이하에서 개시된 내용의 몇몇 예시적인 실시예들에 대한 참조가 이루어진다. 다음의 실시예들은, 개시된 내용의 다양한 특징들, 특성들, 및 이점들 중 하나 이상을 포함할 수 있는 몇몇 선택된 실시예들만을 예시한다. 따라서, 다음의 실시예들은 모든 가능한 실시예들을 포괄하는 것으로서 간주되지 않아야만 한다.
방법은 핵 설비로부터의 방사성 폐기물의 체적을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 방사성 폐기물은 소비된 IER 및/또는 DAW를 포함할 수 있다. 방법은 소비된 IER만을, DAW만을, 또는 IER 및 DAW 둘 모두의 체적을 감소시키기 위하여 사용될 수 있다.
DAW는 크기가 감쇠되고 고-토크 스크루 공급기 또는 (압출 다이가 없는) 압출기를 사용하여 유동화된 베드 반응기 내로 공급될 수 있다. 소비된 IER은 슬러리로서 유동화된 베드 반응기 내로 펌핑될 수 있다. 폐기물 스트림들은, 주로 과열된 수증기에 의해 유동화되는 비활성 베드를 갖는 반응기 내에서 가스화될 수 있다.
폐기물은 환원 조건들 하에서 유동화된 베드 반응기 내에서 반응될 수 있다. 알루미늄 화합물 또는 철 화합물과 같은 응집-방지 재료가 응집을 방지하고 폐기물을 안정화하는 것을 돕기 위하여 유동화된 베드에 첨가될 수 있다. 생성된 가스 및 비말 동반된 고체 입자들이 사이클론에 의해 분리될 수 있으며, 그런 다음 고온 필터에 의해 추가로 분리될 수 있다. 수집된 고체들은 프로세싱되지 않은 폐기물 공급물 내의 방사능의 대다수를 갖지만, 상당히 감소된 체적이며, 저장 또는 처리를 위해 안전하다. 고체들은 또한 사이클론을 사용하지 않고 고온 필터만에 의해 캡처될 수도 있다.
가스 스트림은, H2, CO, H2S, CH4 및 다른 탄화수소들을 산화시키는 열 산화기, 가스 스트림을 빠르게 급랭하며 산성 가스상 성분들 예컨대 HCl, SO2를 제거하는 스크러버 시스템, 및 가스가 대기 내로 방출되기 이전에 최종 가스 정제를 위한 필터 시스템을 포함하는 오프-가스 처리 시스템을 통해 추가로 프로세싱된다.
유동화된 베드 반응기는, 열분해 및 수증기 변성을 포함하는 복합 반응 네트워크를 포함한다. 반응기는 산소 비산성 또는 농도를 제어함으로써 적절한 산화 환원 조건으로 유지되며, 이는 반응 온도를 유지하기 위한 에너지를 보장한다.
프로세스는 방사성 입자들 및/또는 가스들의 누설을 방지하기 위하여 네거티브 압력에서 동작될 수 있다. 시스템 압력은 유동화된 베드 반응기의 프리보드에 기초하여 제어될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 압력은 약 -50 인치의 물(약 -12.5 kPa) 내지 약 -25 인치 물(약 -6 kPa)이다.
유동화된 베드의 반응 온도는 약 650 ℃ 내지 약 800 ℃ 또는, 바람직하게는, 약 725 ℃ 내지 약 750 ℃일 수 있다. 반응은, 유동화된 베드 반응기 내의 최고 온도를 갖는 유동화된 베드 영역에서 일어날 수 있다. Cs 및 Tc의 휘발을 방지하기 위하여 온도가 약 800 ℃를 초과하지 않는 것이 바람직할 수 있다.
방법은, 보통 또는 정상 상태 동작 동안 연료의 추가에 의존하지 않는 방식으로 동작될 수 있다. 방법은 또한, 정상 상태에서 상승된 온도를 유지하기 위하여, 또는 시동 동안, 및/또는 핫 스탠바이(hot standby) 동안 목탄과 같은 여분 연료에 의존하는 방식으로 동작될 수도 있다.
유동화된 베드 반응기 내의 반응의 산화 환원 조건은 반응기에 첨가되는 산소의 양을 조정함으로써 조정될 수 있다. 반응-후(post-reaction) 가스 스트림에서, 산소의 체적측정 농도는 1 vol% 미만으로 제어될 수 있으며, 수소의 체적측정 농도는 4 vol% 아래일 수 있고, 메탄의 체적측정 농도는 5 vol% 아래일 수 있으며, 탄소 일산화물의 체적측정 농도는 10 vol% 아래일 수 있다. 이렇게 하는 것이 유동화된 베드 반응기의 안전한 동작을 보장하는 것을 도울 수 있다.
대안적으로 반응 조건은 훨씬 큰 환원 조건들(훨씬 더 적은 산소 입력)을 생성하도록 제어될 수도 있다. 수소의 체적측정 농도는 10 vol% 이상일 수 있으며, 탄소 일산화물이 4 vol% 이상일 수 있고, 메탄은 5 vol% 이상일 수 있으며, 측정이 가능한 산소가 존재하지 않을 수 있다. 수소, 탄소 일산화물, 메탄 및 다른 탄화수소들이 본질적으로 열 산화기의 연료이다. 열 산화기는, 스트림 변성기가 고도의 환원 조건들에서 동작되고 결과적인 산물 가스가 높은 연료 함량을 가질 때 추가적인 연료 입력 없이 동작될 수 있다.
산소 및 과열된 수증기가 유동화 가스 분배기를 통해 유동화된 베드 반응기 내로 함께 공급될 수 있다. 대안적으로, 산소는 폐기물 공급물 입구 약간 위의 위치에서 유동화된 베드 반응기 내로 공급될 수 있다. 다른 대안예는, 각각의 위치에서 감소된 양으로, 이상에서 언급된 2개의 위치들 둘 모두에서 산소를 동시에 유동화된 베드 반응기 내로 공급하는 것이다. 다른 대안예는, 이상에서 언급된 위치들뿐만 아니라 각각 위치에서의 공급이 감소된 상태로 하나 이상의 추가적인 위치들에서 산소가 유동화된 베드 반응기 내로 공급되어 추가된 전체 산소가 동일하게 남아 있게 하는 것이다. 이는 특히, 유동화된 베드 반응기가 완전 재순환 모드로 동작하고 있을 때 유용할 수 있다.
소비된 IER은 탈수된 형태로 유동화된 베드 반응기 내로 공급될 수 있다. 이는 고-토크 스크루 공급기(예를 들어, 다이가 없는 압출기)를 사용하여 이루어질 수 있다. 이러한 공급 방법은 슬러리와 같은 최소 공급 레이트 제한을 겪지 않으며, 따라서, 이는 DAW과 함께 소량으로 유동화된 베드 반응기 내로 연속적으로 공급될 수 있다. 이는 프로세스를 더 유연하게 만든다. DAW 및 소비된 IER의 상대적인 공급 양들은 최종 폐기물 패키지의 방사능을 조정하기 위하여 조정될 수 있다.
DAW에 대한 공급기(54)는 수평 배열로 유동화된 베드 반응기의 측벽에 결합될 수 있다. DAW는 또한 하나 이상의 스크루 공급기들을 사용하여 유동화된 베드 반응기의 하단을 통해 수직으로 공급될 수 있다 - 예를 들어, 하나의 스크루 공급기는 주로 반응기의 밑면으로 DAW를 측방으로 이송하며, 다른 스크루 공급기는 반응기의 하단을 통해 수직으로 위쪽으로 이를 이송한다. 임의의 DAW 공급 배열에 대하여, DAW 공급물의 진입 지점은 유동화 가스의 분배기 위일 수 있다. 스크루 공급기는 고 토크를 생성하는 것이 가능할 수 있다. 하나의 적절한 스크루 공급기는 단부 상에 다이가 없는 압출기이다.
체적-감소 수증기 변성 프로세스는 완전히 순환하는 유동화된 베드 반응기 시스템을 사용하여 동작될 수 있다. 유동화된 베드 재료는 공급물, 중간물 및 변성된 잔여물과 함께 FBR을 통해 여행한다. 사이클론은 대다수의 고체들을 분리하고 이들을 유동화된 베드 반응기로 반환한다. 고체들은, 고체들이 사이클론에 의해 분리되기에 너무 작거나 및/또는 가벼워질 때까지 유동화된 베드 반응기를 통해 계속해서 순환한다.
프로세스는 또한 부분적으로 순환하는 유동화된 베드 반응기 시스템을 사용하여 동작될 수 있다. 부분적으로 재순환하는 유동화된 베드 프로세스에 있어서, 대부분의 유동화된 베드 재료들은 유동화된 베드 반응기로부터 현탁분리되지 않는다. 사이클론(들)에 의해 캡처된 고체들은 재프로세싱을 위하여 유동화된 베드 반응기로 반환된다. 재순환은, 고체들이 사이클론에 의해 분리되기에 너무 작거나/가벼워질 때까지 계속된다.
1-패스 스루(through) 시스템에 대하여, 유동화 가스의 표면적 공간 속도는 약 1.1 ft/s 내지 약 2.0 ft/s(약 33.5 cm/s 내지 약 61 cm/s) 또는, 바람직하게는, 약 1.4 ft/s 내지 약 1.6 ft/s(약 42.5 cm/s 내지 약 49 cm/s)일 수 있다. 완전 재순환 시스템에 대하여, 유동화 가스의 표면적 공간 속도는 약 4 ft/s 내지 약 6 ft/s(약 122 cm/s 내지 약 183 cm/s)일 수 있다. 부분 재순환 시스템에 대하여, 유동화 가스의 표면적 공간 속도는 약 2 ft/s 내지 약 4 ft/s(약 61 cm/s 내지 약 122 cm/s)일 수 있다.
공급기는, 공급기 내의 재료들에 대한 고온 프로세스의 열적 충격을 최소화하며 그럼으로써 프로세스 평온성 및 무결성을 보장하도록 구성된 공급 어댑터 디바이스를 가지고 유동화된 베드 반응기에 결합될 수 있다. 공급 어댑터 디바이스는, 직접적으로 부착되거나 및/또는 프로세스 연결을 관통하기 위하여 냉각이 요구되는 고온 열 프로세스들에 대하여 사용될 수 있다.
고온 필터는 다수의 필터 엘리먼트들을 포함할 수 있거나 및/또는 아웃사이드-인 흐름 패턴을 사용할 수 있다. 고체들은 필터 엘리먼트의 외부 표면 상에 보관될 수 있다. 필터 엘리먼트는 주기적으로 질소로 백-펄싱될 수 있다. 하단 원뿔 섹션의 벽은 임의의 브리징된 입자들을 끊도록 구성된 기계적인 텅들 또는 체인들을 가질 수 있다. 고압 가스 흐름이 또한 임의의 브리징된 입자들을 끊기 위하여 사용될 수 있다. 고압 가스 흐름은 원뿔의 벽 상에 위치된 공극들을 통해 또는 필터의 주변 둘레의 다운-코머(down-comer) 튜브들을 통해 제공될 수 있다. 진동 디바이스가 또한 원뿔의 외부 표면에 적용될 수 있다.
알루미늄 화합물 또는 철(Fe3+) 화합물과 같은 응집-방지 재료가 폐기물의 응집을 방지하고 폐기물을 안정화하는 것을 추가로 돕기 위하여 유동화된 베드에 첨가될 수 있다. Al 또는 Fe 대 문제가 되는 알칼리 금속(들)의 몰 비율은 약 0.2 내지 약 1.5 또는, 바람직하게는, 약 0.8 내지 약 1.1일 수 있다. 폐기물의 알칼리 함량은, 폐기물이 유동화된 베드 반응기 내로 공급되기 이전에 결정될 수 있다.
DAW와 같은 임의의 고체 폐기물의 크기는, 폐기물이 유동화된 베드 반응기 내로 공급되기 이전에 감소되거나 및/또는 표준화될 수 있다. 예를 들어, 고체 폐기물의 크기는, 특히 1-패스 스루 구성들에 대하여, 약 1 인치(약 2.54 cm) 또는, 바람직하게는, 약 0.5 인치 내지 약 0.75 인치(약 1.27 cm 내지 약 1.9 cm) 이하로 감소될 수 있다.
프로세스는, 연료(예를 들어, 천연 가스)가 윈드 박스 내에서 연소되는 윈드 박스를 포함할 수 있다. 윈드 박스로부터의 뜨거운 연소 가스는 유동화된 베드 반응기에 에너지를 제공할 뿐만 아니라 유동화 가스로서 역할하기 위하여 사용될 수 있다.
열 산화기로부터의 뜨거운 배출 가스는 전체적으로 또는 부분적으로 유동화된 베드 반응기에 대한 유동화 가스의 소스로서 사용되고 재순환될 수 있다. (2개의 주요 재료들 중 하나로서 수증기를 갖는) 열 산화기로부터의 배출 가스는 재순환 가스 스트림 및 방출 스트림으로 분할될 수 있다. 재순환 루프는 유동화 가스 분배기로 진행한다. 재순환 루프는 격리되고 가능한 한 열 손실을 최소화하기 위하여 짧게 유지된다. 방출 스트림은 온도 급랭 및 산성 가스 스크러빙을 위하여 스크러버 시스템으로 진행할 수 있다. 이러한 구성을 에너지를 상당히 절감할 수 있으며, 물 소비를 상당히 감소시킬 수 있고, 전체 발전소 방출 체적을 상당히 감소시킬 수 있다.
더 높은 온도의 프로세스는, 열 산화기에 도달하기 이전에 유기 재료가 프로세싱 장비 상에 응축하거나 및/또는 퇴적하는 것을 방지하기 위하여 VLLW DAW를 처리하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 유동화된 베드 반응기는, 약 600 ℃ 내지 약 1100 ℃, 약 850 ℃ 내지 약 1100 ℃, 약 900 ℃ 내지 약 1100 ℃, 또는 약 950 ℃ 내지 약 1100 ℃의 온도에서 동작할 수 있도록 구성될 수 있다.
이것이 방사성 핵종들을 휘발시킬 것이기 때문에, 이러한 온도들에서 소비된 IER 을 프로세싱하는 것이 일반적으로 바람직하지 않다는 것을 주의해야만 한다. 그러나, 이것이 낮은 방사성 핵종 함량을 가지며 더 높은 온도들이 끈끈한 잔여물로서 DAW 내의 유기 재료가 프로세스 장비 상에 응축하는 것을 방지하기 때문에, DAW를 프로세싱할 때 더 높은 온도들이 유익하다. DAW 내의 소수의 방사상 핵종들은 하류측 가스 여과 프로세스에서 캡처될 수 있다.
이러한 더 높은 온도들에서 작동하기 위하여, 프로세스 및/또는 시스템 컴포넌트들, 특히 유동화 베드 반응기와 열 산화기 사이의 컴포넌트들은, Haynes 556, Inconel 617, Haynes 230, 및 유사한 것과 같은 고온 합금들을 사용하여 제조될 수 있거나 및/또는 내화성 열 실드들을 포함할 수 있다. 또한, 내화성 열 실드들의 사용은, 덜 신형의 및/또는 덜 비싼 재료들로부터 프로세스 장비를 제조하는 것 및, 예를 들어, 니크롬 합금으로 만들어진 열 트레이스를 포함하는 것을 가능하게 만들 수 있다.
응축가능 오일들 및 휘발성 물질들이 궁극적인 파괴를 위하여 TOX로 이송되도록 VLLW DAW를 처리할 때, 온도가 600 ℃ 내지 1100 ℃로 증가되는 프로세스는 폐기물 및 프로세스/시스템 내의 잠재적인 응축으로부터의 위험을 제거한다. 이를 달성하기 위하여, FBRS 및 열 산화기(Thermal Oxidizer; TOX)를 포함하여 그 사이의 프로세스/시스템 컴포넌트들은, 비제한적으로, Haynes 556, Inconel 617, Haynes 230과 같은 고온 합금들로부터 특수 설계로 제조될 수 있거나 및/또는 비제한적으로, 니크롬 합금과 같은 절연 열 트레이스 및 덜 신형의/덜 비싼 재료들의 사용을 가능하게 하기 위하여 내화성 열 실드들을 포함할 수 있다. 이는, 프로세스 시스템 재료들의 부식/침식에 대한 설계 인식 및 상기 부식/침식을 완화하기 위한 특수 설계 수정을 포함한다.
용어 및 해석 규칙들
용어 "결합되는"은 2개의 부재들을 서로 직접적으로 또는 간접적으로 결합하는 것을 의미한다. 이러한 결합은 사실상 고정식이거나 또는 사실상 이동식일 수 있다. 이러한 결합은, 서로 또는 2개의 부재들을 가지고 또는 서로 부착되는 2개의 부재들 및 임의의 추가적인 중간 부재를 가지고 단일의 단일 몸체로서 일체로 형성되는 2개의 부재들 또는 2개의 부재들 및 임의의 추가적인 중간 부재들을 가지고 달성될 수 있다. 이러한 결합은 사실상 영구적일 수 있거나 또는 대안적으로 제거가 가능하거나 또는 릴리즈가 가능할 수 있다.
용어 "결합되는"은 사실상 영구적으로 또는 사실상 릴리즈가 가능하게 및/또는 제거가 가능하게 결합하는 것을 포함한다. 영구적인 결합은, 원래의 상태로 역전되거나 또는 복귀될 수 없는 방식으로 컴포넌트들을 함께 결합하는 것을 지칭한다. 릴리즈 가능 결합은, 원래의 상태로 역전되거나 또는 복귀될 수 있는 방식으로 컴포넌트들을 함께 결합하는 것을 지칭한다.
청구항들 또는 명세서에서 설명되는 임의의 방법들은, 달리 언급되지 않는 한, 단계들이 특정 순서로 수행될 것을 요구하는 것으로 해석되지 않아야만 한다. 또한, 방법들은, 달리 언급되지 않는 한, 언급된 단계들을 수행하기 위한 지지를 제공하는 것으로서 해석되어야만 한다.
"좌측", "우측", "전방", "후방" 및 유사한 것과 같은 공간적 또는 방향적 용어들은 내용이 도면들에 도시된 때의 내용과 관련된다. 그러나, 설명되는 내용이 다양한 대향적인 배향들을 나타낼 수 있으며, 따라서, 이러한 용어들은 제한적인 것으로서 간주되지 않아야 한다는 것이 이해될 것이다.
"일(a)" 및 "하나(an)"와 같은 관사는 단수형 또는 복수형을 암시하지 않을 수 있다. 또한, 선행사 "중 하나(either)"(또는, "또는"이 배타적인 것을 명백히 의미한다는 것을 나타내는 다른 유사한 용어 - 예를 들어, x 또는 y 중 오로지 하나 등)가 없이 사용될 때 "또는"은 포괄적인 것으로 해석되어야만 한다(예를 들어, "x 또는 y"는 x 또는 y 중 하나 또는 둘 모두를 의미한다).
용어 "및/또는"이 또한 포괄적인 것으로 해석되어야만 한다(예를 들어, "x 및/또는 y"는 x 또는 y 중 하나 또는 둘 모두를 의미한다). "및/또는" 또는 "또는"이 3개 이상의 아이템들의 그룹에 대하여 접속사로서 사용되는 상황들에 있어서, 그룹은 하나의 아이템만을 포함하거나, 아이템들을 모두 함께 포함하거나, 또는 아이템들의 임의의 조합 또는 수를 포함하는 것으로서 해석되어야만 한다.
용어들 "갖다", "갖는", "포함하다(include)", 및 "포함하는(including)"은 용어들 "포함하다(comprise)" 및 "포함하는(comprising)"과 동의어로서 해석되어야만 한다. 이러한 용어들의 사용은 또한, 이러한 용어들이 "구성하는" 또는 "본질적으로 구성되는"으로 대체되는 더 협소한 대안적인 실시예들을 개시하고 이에 대한 지지를 제공하는 것으로서 이해되어야만 한다.
달리 표시되지 않는 한, (청구항들이 아닌) 명세서에서 사용되는 치수들, 물리적 특성들, 및 유사한 것을 표현하는 것들과 같은 표현들 또는 모든 숫자들은 용어 "약"에 의해 모든 경우들에서 수정될 수 있는 것으로 이해되어야만 한다. 최소한, 청구항들에 대한 등가물들의 원칙의 적용을 제한하기 위한 시도가 아니라, 용어 "약"에 의해 수정되는 명세서 또는 청구항들 내에서 언급되는 각각의 수치 파라미터는 언급된 유효 자릿수의 수를 고려하여 그리고 일반적인 반올림 기법들을 적용함으로써 해석되어야만 한다.
개시된 모든 범위들은, 임의의 그리고 모든 서브 영역들 또는 각각의 범위에 의해 포괄되는 임의의 그리고 모든 개별적인 값들을 포괄하고 이를 언급하는 청구항들에 대한 지지를 제공하는 것으로서 해석되어야만 한다. 예를 들어, 1 내지 10으로 언급된 범위는, 1의 최소 값과 10의 최대 값 사이의 및/또는 이의 포괄적인 임의의 그리고 모든 서브범위들 또는 개별적인 값들; 즉, 1 이상의 최소 값으로 시작하여 10 이하의 최대 값으로 끝나는 모든 서브범위들(예를 들어, 5.5 내지 10, 2.34 내지 3.56, 등등) 또는 1로부터 10까지의 임의의 값들(예를 들어, 3, 5.8, 9.9994, 등등)을 포함하고 이를 언급하는 청구항들에 대한 지지를 제공하는 것으로서 간주되어야만 한다.
개시된 모든 수치 값들은 각 방향에서 0-100% 변화할 수 있는 것으로서 이해되어야만 하며, 따라서, 이러한 값들 또는 이러한 값들에 의해 형성될 수 있는 임의의 그리고 모든 범위들 또는 서브 범위들을 언급하는 청구항들에 대한 지지를 제공하는 것으로서 이해되어야만 한다. 예를 들어, 8의 언급된 수치 값은 0으로부터 16까지(각 방향에서 100%) 변화하는 것으로 이해되어야만 한다. 범위 자체(예를 들어, 0 내지 16), 범위 내의 임의의 서브범위(예를 들어, 2 내지 12.5) 또는 범위 내의 임의의 개별적인 값(예를 들어, 15.2)을 언급하는 청구항들에 대한 지지를 제공하는 것으로서 이해되어야만 한다.
도면들은 축적이 맞추어질 필요가 없이 도시된 하나 이상의 실시예들 및/또는 축적이 맞추어져 도시된 하나 이상의 실시예들을 예시하는 것으로서 해석되어야만 한다. 이는 도면들이, 예를 들어: (a) 축적이 맞추어져 도시된 모든 것, (b) 축적이 맞추어져 도시된 것이 없음, 또는 (c) 축적이 맞추어져 도시된 것이 아닌 하나 이상의 특징들 및 축적이 맞추어져 도시된 하나 이상의 특징들을 도시하는 것으로서 해석될 수 있다. 따라서, 도면들은 단독으로 또는 서로에 대하여 예시된 특징들 중 임의의 것의 언급된 크기들, 비율들, 및/또는 다른 치수들 에 대한 지지를 제공하도록 역할할 수 있다. 추가로, 모든 이러한 크기들, 비율들, 및/또는 다른 치수들은 각 방향에서 0-100% 변화할 수 있는 것으로서 이해되어야 하며, 따라서, 이러한 값들 또는 이러한 값들에 의해 형성될 수 있는 임의의 그리고 모든 범위들 또는 서브범위들을 언급하는 청구항들에 대한 지지를 제공하는 것으로서 이해되어야만 한다.
청구항들에서 언급되는 용어에는 널리 사용되는 일반 사전들 및/또는 관련 기술 사전들의 관련 항목, 일반적으로 당업자들이 일반적으로 이해하는 의미 등을 참조하여 결정된 바와 같이 통상적인 관습적 의미가 주어져야만 하며, 여기에서 다음의 예외들만을 조건으로 이러한 소스들 중 임의의 하나 또는 조합에 의해 부여된 가장 광범위한 의미가 청구항 용어들에 부여되어야만 한다(예를 들어, 2 개 이상의 관련 사전 항목들은 항목들의 조합의 가장 광범위한 범위를 제공하기 위하여 결합되어야만 하는 등이다): (a) 용어가 통상적이고 관습적인 의미보다 더 광범위한 방식으로 사용되는 경우, 용어에는 일반적이고 관습적인 의미에 더하여 추가의 확장된 의미가 주어져야만 하거나 또는 (b) 구절 "본 문서에서 사용될 때 ~을 의미한다" 또는 유사한 언어(예를 들어, "이러한 용어는 ~의미한다", "이러한 용어는 ~으로서 정의된다", "본 개시의 모든 목적들을 위하여 이러한 용어는 ~을 의미한다" 등)이 뒤따르는 용어를 언급함으로써 용어가 상이한 의미를 가지도록 명시적으로 정의된 경우. 특정 예들, "즉"의 사용, 단어 "발명"의 사용 등에 대한 언급은 예외 (b)를 호출하거나 또는 달리 언급된 청구항 용어들의 범위를 제한하는 것을 의미하지 않는다. 예외 (b)가 적용되는 상황들을 제외하고는, 본 문서 내에 포함된 어떤 것도 청구항 범위의 포기 또는 부정으로서 간주되지 않아야만 한다.
청구범위에서 언급되는 내용은 본 문서에서 설명되거나 또는 예시된 임의의 실시예, 특징, 또는 특징들의 조합과 논리 동연(coextensive)하지 않으며, 이와 논리 동연한 것으로 해석되지 않아야만 한다. 심지어 특징들의 조합 또는 특징의 단일 실시예만이 본 문서에서 설명되고 예시되는 경우에도 마찬가지이다.
참조에 의한 통합
이하에서 열거되는 문서들의 각각의 전체 내용이 본 문서 내에 참조로서 통합된다. 통합된 문서들 중 하나 이상 및 본 문서 둘 모두에서 동일한 용어가 사용되는 경우, 용어가 명시적으로 본 문서 내에서 상이한 의미를 갖는 것으로 정의되지 않는 한, 이러한 용어는 이러한 소스들 중 임의의 소스 또는 조합에 의해 부여되는 가장 광범위한 의미를 갖는 것으로서 해석되어야만 한다. 다음의 문서들 중 임의의 문서와 본 문서 사이에 불일치가 존재하는 경우, 본 문서가 좌우할 것이다. "Thermal Volume Reduction of Radioactive Wastes"이라는 명칭으로 2016년 11월 16일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/422,990호에서 통합된 내용은 명시적으로 언급되거나 또는 설명된 내용의 범위를 협소하게 하거나 또는 제한하기 위하여 사용되지 않아야만 한다.

Claims (22)

  1. 유동화된 베드 반응기 내에서 방사성 핵종(radionuclide)들로 오염된 탈수된 폐기물 재료를 분해(decompose)하는 방법으로서,
    상기 탈수된 폐기물 재료를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 연속적으로 공급하는 단계;
    잡고체 폐기물(dry active waste)을 상기 유동화된 베드 반응기 내로 연속적으로 공동-공급하는 단계;
    베드 매체를 유동화하고 상기 유동화된 베드 반응기 내에 유동화된 베드를 형성하기 위하여 유동화 가스를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 주입하는 단계로서, 상기 유동화 가스는 과열된 수증기를 포함하는, 단계;
    환원 조건 하에서 상기 유동화된 베드 반응기 내에서 상기 탈수된 폐기물 재료 및 상기 잡고체 폐기물을 분해하는 단계로서, 상기 잡고체 폐기물은 상기 탈수된 폐기물 재료를 수증기 변성(steam reforming)하기 위한 에너지를 제공하는, 단계;
    상기 탈수된 폐기물 재료 및 상기 잡고체 폐기물의 공급 비율을 제어함으로써 반응기 출력 내의 폐기물의 방사능 레벨을 제어하는 단계; 및
    균질화된 방사능 레벨을 갖는 최종 폐기물 산물을 연속적으로 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 탈수된 폐기물 재료는 소비된 이온 교환 수지를 포함하고,
    상기 탈수된 폐기물 재료는, 70 wt% 이하의 수분 함량을 가지며 선택적으로 자유 수분 모두가 실질적으로 제거된 비-슬러리 형태로 상기 유동화된 베드 반응기 내로 연속적으로 공급되며,
    상기 소비된 이온 교환 수지 및 상기 잡고체 폐기물의 공급 비율은 임계값 미만의 생성되는 최종 폐기물의 방사능을 제공하도록 선택되고, 상기 공급 비율은 인입되는 잡고체 폐기물 및 인입되는 탈수된 폐기물 재료의 방사능에 기초하여 선택되는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈수된 폐기물 재료는 소비된 입상 활성탄을 포함하는, 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 소비된 입상 활성탄은 70 wt% 이하의 수분 함량을 갖는, 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 스크루 메커니즘을 사용하여 상기 탈수된 폐기물 재료를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 공급하는 단계, 및 상기 탈수된 폐기물 재료를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 공급하도록 구성된 공급기를 통해 냉각제 유체를 순환시킴으로써 상기 탈수된 폐기물 재료를 냉각시키는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 상기 탈수된 폐기물 재료를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 공급하는 단계 이전에 상기 탈수된 폐기물 재료에 응집-방지 첨가제를 첨가하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 상기 환원 조건을 제어하기 위해 산소를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 주입하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 650 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 상기 유동화된 베드 반응기를 동작시키는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 상기 유동화된 베드 반응기를 빠져 나오는 가스 스트림으로부터 고체들을 분리하고, 상기 고체들을 다시 상기 유동화된 베드 반응기로 순환시키는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 유동화된 베드 반응기 내에서 소비된 이온 교환 수지 및 잡고체(dry active) 폐기물을 코-프로세싱하는 방법으로서,
    상기 소비된 이온 교환 수지를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 연속적으로 공급하는 단계;
    상기 잡고체 폐기물을 상기 유동화된 베드 반응기 내로 연속적으로 공동-공급하는 단계;
    베드 매체를 유동화하고 상기 유동화된 베드 반응기 내에 유동화된 베드를 형성하기 위하여 유동화 가스를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 주입하는 단계로서, 상기 유동화 가스는 과열된 수증기를 포함하는, 단계;
    환원 조건 하에서 상기 유동화된 베드 반응기 내에서 상기 소비된 이온 교환 수지 및 상기 잡고체 폐기물을 분해하는 단계로서, 상기 잡고체 폐기물은 상기 소비된 이온 교환 수지를 수증기 변성하기 위한 에너지를 제공하는, 단계;
    상기 소비된 이온 교환 수지 및 상기 잡고체 폐기물의 공급 비율을 제어함으로써 반응기 출력 내의 폐기물의 방사능 레벨을 제어하는 단계; 및
    균질화된 방사능 레벨을 갖는 최종 폐기물 산물을 연속적으로 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 소비된 이온 교환 수지는, 70 wt% 이하의 수분 함량을 가지며 선택적으로 자유 수분 모두가 실질적으로 제거된 비-슬러리 형태로 상기 유동화된 베드 반응기 내로 연속적으로 공급되며,
    상기 소비된 이온 교환 수지 및 상기 잡고체 폐기물의 공급 비율은 임계값 미만의 생성되는 최종 폐기물의 방사능을 제공하도록 선택되고, 상기 공급 비율은 인입되는 잡고체 폐기물 및 인입되는 소비된 이온 교환 수지의 방사능에 기초하여 선택되는, 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 방법은 하나 이상의 스크루 메커니즘들을 사용하여 상기 소비된 이온 교환 수지 및 상기 잡고체 폐기물을 상기 유동화된 베드 반응기 내로 공급하는 단계, 및 상기 소비된 이온 교환 수지 및 탈수된 폐기물 재료를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 공급하도록 구성된 적어도 하나의 공급기를 통해 냉각제 유체를 순환시킴으로써 상기 소비된 이온 교환 수지 및 상기 잡고체 폐기물 재료 중 적어도 하나를 냉각시키는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 방법은 응집-방지 첨가제를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 방법은 상기 환원 분위기를 제어하기 위해 산소를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 주입하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 방법은 650 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 상기 유동화된 베드 반응기를 동작시키는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 방법은 상기 유동화된 베드 반응기를 빠져 나오는 가스 스트림으로부터 고체들을 분리하고, 상기 고체들을 다시 상기 유동화된 베드 반응기로 순환시키는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 소비된 이온 교환 수지는 탈수된 소비된 이온 교환 수지인, 방법.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 소비된 이온 교환 수지는 70 wt% 이하의 수분 함량을 갖는, 방법.
  17. 유동화된 베드 반응기 내에서 방사성 핵종들로 오염된 폐기물 재료를 분해하는 방법으로서,
    650 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 동작하는 상기 유동화된 베드 반응기 내로 공급 어댑터 디바이스를 통해 상기 폐기물 재료를 공급하는 단계로서, 상기 공급 어댑터 디바이스는 상기 유동화된 베드 반응기의 벽을 통해 연장하는, 단계;
    상기 공급 어댑터 디바이스를 통해 냉각제 유체를 순환시킴으로써 상기 공급 어댑터 디바이스를 냉각시키는 단계;
    베드 매체를 유동화하고 상기 유동화된 베드 반응기 내에 유동화된 베드를 형성하기 위하여 유동화 가스를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 주입하는 단계로서, 상기 유동화 가스는 과열된 수증기를 포함하는, 단계; 및
    상기 유동화된 베드 반응기 내에서 상기 폐기물 재료를 분해하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 방법은 스크루 메커니즘을 사용하여 상기 공급 어댑터 디바이스를 통해 상기 폐기물 재료를 움직이는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 공급 어댑터 디바이스는 배출 단부를 포함하며, 상기 폐기물 재료는 상기 배출 단부를 통해 상기 유동화된 베드 반응기에 진입하고, 상기 배출 단부는 상기 유동화된 베드 반응기의 내부를 향한 하나의 측면 및 상기 냉각제 유체와 접촉하는 대향되는 측면을 갖는 열 칼라(thermal collar)를 포함하는, 방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 폐기물 재료는 방사성 핵종들로 오염된 소비된 이온 교환 수지를 포함하는, 방법.
  21. 청구항 17에 있어서,
    상기 방법은 상기 유동화된 베드 반응기 내에서 상기 폐기물 재료를 수증기 변성(steam reforming)하는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 유동화된 베드 반응기 내에서 방사성 핵종들로 오염된 잡고체 폐기물을 분해하는 방법으로서,
    800 ℃ 내지 1100 ℃의 온도에서 동작하는 상기 유동화된 베드 반응기 내로 상기 잡고체 폐기물을 연속적으로 공급하는 단계;
    소비된 이온 교환 수지를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 연속적으로 공동-공급하는 단계;
    베드 매체를 유동화하고 상기 유동화된 베드 반응기 내에 유동화된 베드를 형성하기 위하여 유동화 가스를 상기 유동화된 베드 반응기 내로 주입하는 단계로서, 상기 유동화 가스는 과열된 수증기를 포함하는, 단계;
    환원 조건 하에서 상기 유동화된 베드 반응기 내에서 상기 잡고체 폐기물 및 상기 소비된 이온 교환 수지를 분해하는 단계로서, 상기 잡고체 폐기물은 상기 소비된 이온 교환 수지를 수증기 변성하기 위한 에너지를 제공하는, 단계;
    상기 소비된 이온 교환 수지 및 상기 잡고체 폐기물의 공급 비율을 제어함으로써 반응기 출력 내의 폐기물의 방사능 레벨을 제어하는 단계; 및
    균질화된 방사능 레벨을 갖는 최종 폐기물 산물을 연속적으로 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 소비된 이온 교환 수지는, 70 wt% 이하의 수분 함량을 가지며 선택적으로 자유 수분 모두가 실질적으로 제거된 비-슬러리 형태로 상기 유동화된 베드 반응기 내로 연속적으로 공급되고,
    상기 소비된 이온 교환 수지 및 상기 잡고체 폐기물의 공급 비율은 임계값 미만의 생성되는 최종 폐기물의 방사능을 제공하도록 선택되며, 상기 공급 비율은 인입되는 잡고체 폐기물 및 인입되는 소비된 이온 교환 수지의 방사능에 기초하여 선택되는, 방법.
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